Brevet FR2452645A1 — publié le 19801024

Le joint d'étanchéité dynamique, qui fait l'objet de l'invention, concerne d'une façon générale la protection d'espaces confinés contre la pénétration de corps étrangers solides ou fluides, provenant du milieu extérieur, à travers des passages d'arbres rotatifs, ces espaces confinés contenant des roulements et/ou des paliers et/ou des-mecanismes d'entraînement ou de transmission, les arbres rotatifs concernés étant susceptibles d'atteindre des vitesses circonférentielles de l'ordre de 10 m/s et d'etre portés à des températures pouvant dépasser 1000C. Le joint suivant l'invention concerne en particulier la protection des roulements des arbres de roues des véhicules contre la pénétration de particules solides et-d'eau ainsi que contre les pertes de lubrifiants. Il est bien connu que la durée de vie des roulements d'arbres fortement chargés dépend pour une très large part de la qualité de la lubrification. Celle-ci peut être compromise non seulement par un manque de lubrifiant mais aussi par la pénétration de corps étrangers solides tels que des poussières ou des particules abrasives, de toute nature, ou bien encore par la pénétration d'eau ou d'autres fluides. Pour résoudre ces problèmes, de nombreuses solutions ont été proposées et appliquées avec une certaine efficacité. Les figures ci-après permettent de mieux comprendre les caractéristi- ques des différents types de joints qui ont été expérimentés et celles du nouveau joint suivant l'invention. De la façon la plus générale, deux types de joint dynamique ont été proposés pour résoudre le problème de la protection de ces mécanismes et/ou de ces roulements ou paliers. La solution la plus simple et k plus courante réside dans l'utilisation de joints en élastomères tels que celui représenté par la figure 1. On voit sur cette figure un arbre rotatif (1) dont l'extrémité (2) sort d'une enceinte (3) et pénètre dans un milieu extérieur (4) dans lequel il est relie de façon non décrite à un organe récepteur tel qu'une roue. L'arbre est supporté par un roulement à billes (5). Ce roulement est lubrifié, de façon connue et non représentée, par projection d'huile qui ruisselle ensuite le long de l'arbre. Afin d'éviter l'usure du roulement par des particules solides et la pénétration éventuelle d'eau ou d'un autre fluide provenant du milieu extérieur, et-aussi afin d'éviter des pertes de lubrifiant par écoulement le long de l'arbre, un joint fixe en élastomère (6) est emboîté dans le logement cylindrique (7) au fond duquel est logé le roulement à billes (5). La lèvre (8) de ce joint vient en appui sur la périphérie de l'arbre (1). Un ressqrt torique (9) assure une pression de serrage suffisante. Un tel joint est de préférence renforcé par une armature métallique telle que (10) qui lui donne la rigidité nécessaire pour qu'il demeure en place.L'expérience a montré que ce joint, grâce à la lubrification de l'arbre par les gouttelettes d'huile qui sont projetées depuis l'intérieur de l'enceinte, peut avoir une assez longue durée de vie en l'absence de particules trop abrasives et à condition que la température de fonctionnement ne dépasse pas 100 C. En effet, si des particules abrasives provenant de l'extérieur sont projetées sur l'arbre, on constate, après un certain temps de fonctionnement, qu'un certain nombre de ces particules s'insèrent peu à peu entre la lèvre (8) et la surface de l'arbre. Les plus dures de ces particules provoquent peu à peu la formation de très nombreuses microfissures dans la lèvre en élastomère du joint et, en même temps, usent la surface de l'arbre à façon d'une bande abrasive. La destruction progressive de cette lèvre est plus ou moins rapide suivant la quantité de particules abrasives venant du milieu extérieur. Dans le cas des joints d'étanchéité des arbres de roues des véhicules, cette vitesse de destruction dépendra des parcours effectués et on se doute que, pour un véhicule exposé à recevoir des particules de sable siliceux, la destruction de tels joints pourra être très rapide et, de plus, l'arbre lui-même risquera de subir une usure non négligeable. Par ailleurs, dans bien des cas, les températures atteintes par les joints au cours de l'utilisation arrivent à dépasser les niveaux tolérables par les élastomères.C'est le cas en particulier des joints montés sur les arbres de roues de véhicules transporteurs de fret qui sont exposés à des surchauffes brutales pendant les périodes de freinage. Dans les conditions les plus défavorables, les joints peuvent être portés à plus de 1500C et, dans de telles conditions, ils sont détruits en quelques minutes. Pour remédier à ces difficultés, on a proposé d'utiliser, à la place d'un joint à lèvre, une garniture dite mécanique qui, au lieu de prendre appui sur une surface cylindrique de l'arbre, porte sur une surface radiale. On voit sur la figure 2 une garniture connue de ce type. L'enveloppe (11) de cette garniture est rendue solidaire de l'arbre (12) au moyen de la partie annulaire (13) qui est bloquée sur l'arbre par un moyen connu. Un soufflet élastique (14) est en appui sur une bague de friction en une matière dure telle que du carbure de tungstène (15), qui glisse sur une portée plane en acier cémenté (16) d'une bague (17) fixée rigidement dans le logement cylindrique (18) en avant du roulement (19). On comprend que, lorsque l'arbre (12) tourne, la bague de friction (15), qui glisse sur la portée (16), assure l'étanchéité en empêchant des poussières venant de l'extérieur d'atteindre le roulement et en empêchant aussi les gouttelettes de lubrifiant de s'échapper à l'extérieur. Par ailleurs, un tel dispositif entièrement métallique peut supporter sans dommage des températures de plusieurs centaines de degrés. Le coût élevé de ce type de garniture est un inconvénient majeur. Par ailleurs, les surfaces frot tantes doivent être montées avec une très grande précision afin de s'appliquer l'une sur l'autre de façon très précise. Enfin, ces garnitures ne peuvent pas tourner à sec et doivent être lubrifiées. On comprend que tout défaut d'alìgne- ment de telles garnitures cause rapidement une perte d'étanchéité et une fuite de lubrifiant qui est expulsé vers l'extérieur. De même, en cas de défaut d'étanchéité, les poussières et, éventuellement l'eau, accumulées autour du joint pénetrent vers l'intérieur de l'enceinte et provoquent peu à peu l'usure des roulements. On a recherché la possibilité de réaliser un joint, pour passage d'arbre à travers la paroi d'une enceinte sans pression intérieure, étanche vis à vis de particules provenant de l'extérieur, de conception relativement simple et économique et capable de supporter sans dégradation des températures pouvant atteindre et même dépasser 1500C et capable de fonctionner à sec sans lubrification. Le joint dynamique, qui fait l'objet de la présente invention, comporte une pièce d'étanchéité annulaire dont la partie frottante en graphite expansé comprimé s' applique de façon étanche, grâce à une contrainte élastique permanente assurée par un moyen de serrage, sur une surface cylindrique ou plane solidaire de l'arbre ou de la paroi de l'enceinte, cette pièce d'étanchéité étant par ailleurs reliée par un moyen de liaison métallique élastique et étanche à la paroi de l'enceinte ou à l'arbre. Les exemples ci-après décrivent plusieurs modes de réalisation non limitatifs de ce joint dynamique. EXEMPLE t La figure 3 représente un arbre (20) supporté par un roulement à billes (21) dont l'extrémité (22) qui sort d'une enceinte (23) est reliée de façon non représentée à une roue de véhicule routier et est exposée à des projections de particules solides abrasives telles que des grains de sable. Par ailleurs, la température de cet arbre peut atteindre plus de 100 et même de 750"C lorsque des actions de freinage fréquentes sont effectuées, en particulier au cours de descentes prolongées. Le joint dynamique comporte une pièce annulaire de friction (24) constituée d'un anneau comprimé à base de graphite expansé tel que ceux commercialisés sous la marque CEFIGRAF (marque déposée de la société CEFI LAC). Cet anneau est serti à l'intérieur d'un boîtier métallique (25). Le sertissage est effectué de façon que le boîtier exerce sur l'anneau une contrainte élastique. L'anneau (24) en graphite expansé est mis en place en l'engageant à force autour de l'arbre par une méthode connue. Une pièce annulaire de liaison (26) en métal est raccordée par son bord intérieur au boîtier (25) et par son bord extérieur à un anneau métallique rigide (27). Cet anneau rigide (27) est lui-même fixé dans le logement (28) au fond duquel est bloquée la cage ex térieure (29) du roulement à billes (21) qu'il s'agit de protéger contre les particules de matières solides venant de l'extérieur.La pièce annulaire de liaison (26) est réalisée, comme le montre la figure, de façon à présenter une élasticité suffisante pour accepter les légers debattements radiaux ou axiaux de la pièce de friction (24) qui doit accompagner les débattements de l'arbre . Dans le cas de la figure, la pièce (24) est un anneau en tôle mince pourvu d'ondulations concentriques. Cette pièce est réalisée en un métal ou alliage ductile et résistant à la corrosion tel qu'un acier inoxydable austénitique. Ce dispositif protège de façon efficace le roulement contre les poussières et autres particules abrasives. Il empêche les pertes éventuelles de lubrifiant vers l'extérieur et aussi la pénétration de gouttelettes d'eau. EXEMPLE 2 L'expérience a montré que, au cours du temps, un certain fluage de l'anneau en graphite expansé se produit. Il y a donc intérêt à faire appel à un moyen de serrage élastique capable de maintenir pendant de très longues périodes un effort de contrainte élastique sur l'anneau, même si celui-ci s'est légèrement déformé. On voit, figure 4, un dispositif analogue à celui de la figure 3 dans lequel un anneau (30) en graphite expansé comprimé est serti dans un boîtier métallique (31). Dans ce boîtier sont logés des ressorts métalliques (32) qui exercent un effort latéral de compression sur l'anneau (30) par l'intermédiaire de la bague de répartition (33). Grâce aux caractéristiques de grande élasticité du graphite expansé comprimé et à la résistance mécanique du boîtier, cette pression latéraleapour effet de maintenir l'anneau (30) en pression radiale sur l'arbre rotatif (34). L'expérience a montré qu'il suffit d'un faible effort de pression de l'anneau sur l'arbre pour conserver une bonne étanchéité vis à vis des particules solides et des gouttes de liquide. Les ressorts (32) peuvent être réalisés de nombreuses façons. Ils peuvent être constitués d'éléments séparés disposés en couronne ou encore remplacés par une pièce annulaire métallique mince comportant des ondulations. On peut aussi envisager de disposer dans le fond du boîtier, et concentriquement à l'anneau de graphite, un ou plusieurs ressorts exerçant sur cet anneau une pression radiale. Comme le montre la figure 4, la liaison entre le boîtier (31) et enceinte peut être assurée par un tronçon de tube métallique flexible ondulé (35) raccordé par une extrémité au boîtier (31) et par l'autre à l'anneau fixe (36). Un tel tronçon peut être constitué par un soufflet métallique. Les essais effectués ont montré que les joints ainsi réalisés présentent une longévité exceptionnelle même en présence d'atmosphère chargée de particules abrasives. On a constaté que l'insertion de telles particules entre les surfaces frottantes est rare car les bords de l'anneau en graphite expansé ne présentent pas, comme dans le cas des joints en élastomère, une zone en forme de coin dans laquelle les particules abrasives peuvent être retenues. Par ailleurs si, accidentellement, une ou plusieurs particules abrasives arrivent à pénétrer entre un anneau en graphite expansé comprimé et la surface métallique sur laquelle il glisse, on a constaté que ces particules pénétraient peu à peu dans le graphite grâce à sa porosité sans causer de fissuration étendue. Cette pénétration ne s'accompagne pas d'une déformation ou désagrégation de la matière de l'anneau, contrairement à ce qui se produit dans le cas des joints à lèvre en élastomère. EXEMPLE 3 Un autre mode d'utilisation du joint dynamique suivant l'invention a été troué. On a constaté, en effet, que, au lieu de faire glisser l'anneau en graphite expansé comprimé sur une surface cylindrique, on pouvait aussi 1' ap- pliquer sur une surface plane d'une façon analogue à ce qui est réalisé dans le cas d'un joint mécanique tel que celui représenté figure 2. On a constaté alors que le joint suivant l'invention n'était pas soumis aux-contraintes de précision d'usinage et de guidage qui s'implosent aux joints mécaniques. En effet, la surface tendre de l'anneau en graphite expansé, même si elle présente certains défauts de planéité, se conforme à la surface métallique d'appui avec laquelle elle est mise en contact, à condition que cette surface d'appui soit usinée avec une précision suffisante. On voit figure 5 un joint suivant l'invention monté sur une sortie d'arbre de roue. L'anneau en graphite expansé comprimé-(37), tel que ceux commercialisés sous la marque CEFIGRAF, est en appui glissant sur la surface latérale (38) de la cage intérieure du roulement (39) qui est emmanchée à force sur l'arbre -(40). Cette face latérale est usinée avec soin de façon à constituer un plan radial par rapport à l'axe de 1' arbre (40). LT anneau (37) est enserré élastiquement, comme cela a été décrit plus haut, dans un boîtier métallique (41) qui est lui-même relié élastiquement par la pièce métallique dé liaison (42) à un anneau métallique fixe (43) bloqué dans le logement (44) de la cage extérieure (45) du roulement - (39). A la mise en place du dispositif, on assure le serrage élastique de l'anneau de graphite expansé comprimé (37) sur la surface (38), en ajustant l'enfoncement de l'anneau métallique fixe (43) dans le logement (44) de façon que la pièce mince métallique (42) exerce une contrainte élastique axiale sur le boîtier (41) dans la direction du roulement (39). Une telle disposition du joint dynamique suivant l'invention s'est révélée extrémeinent simple et efficace. Dans les cas-où la contrainte élastique réalisée par la pièce annulaire (42) serait insuffisante, on pourrait augmenter la possibilité de rattrapage élastique d'un tassement éventuel de l'anneau (37) en logeant dans le boîtier (41) un ressort, comme cela est décrit dans l'exemple 2. Comme dans le cas des exemples 1 et 2, les caractéristiques du graphite expansé comprimé réduisent considérablement les risques de pénétration de particules abrasives venant de l'extérieur en direction du roulement qui est protégé de façon extrêmement efficace. De plus, la relative plasticité de cette ma- tière fait qu'elle s'applique parfaitement sur la surface radiale d'appui moyennant une très faible contrainte élastique. Comme son coefficient de frottement est très faible, il en résulte que la résistance opposée à la rotation de l'arbre est absolument négligeable même en l'absence de toute lubrification, l'anneau (37) tournant à sec sur la surface radiale (38).Comme dans les cas des exemples précédents, ce joint dynamique empêche non seulement la pénétration des particules abrasives dans le roulement (39) mais aussi les fuites d'huile vers l'extérieur le long de l'arbre. EXEMPLE 4 Le joint dynamique suivant l'invention s'applique en particulier à la protection des roulements qui supportent les moyeux des roues des véhicules contre les poussières et autres particules abrasives. La figure 6 représente une partie du moyeu d'une roue d'un véhicule routier pour transport de fret. Ce moyeu (46) tourne autour d'une fusée fixe (47) solidaire du chassis du véhicule. Il est supporté par deux roulements à rouleaux dont un seul (48) est représenté. La cage intérieure (49) de ce roulement est emmanchée sur la fusée et la cage extérieure (50) est enserrée dans le logement (51) du moyeu. On voit que l'anneau en graphite expansé comprimé (52) tourne en appui contre la surface latérale (53) de la cage intérieure (49) qui a été dressée suivant un plan radial.L'anneau (52) dans son boîtier (54) est monté de façon semblable à celle de la figure 5, la seule différence étant que l'anneau est serré élastiquement contre la surface (53) et entraîné en rotation par le moyeu grâce à la pièce métallique annulaire de liaison (55) qui est reliée à l'anneau métallique (56) bloqué dans le logement (51). Une pression constante de l'anneau (52) sur la surface (53) est assurée grâce à l'élastici- té de la pièce (55). Pour faciliter le démontage éventuel du moyeu, une pièce courbe de grande rigidité (57) est raccordée à l'anneau (56). Lorsqu'on arrache le moyeu en exerçant une force de traction parallèle à l'axe suivant la direction de la flèche F, l'extrémité de la pièce (57) repousse la cage intérieure (49) et évite donc que celle-ci détériore le joint dynamique. EXEMPLE 5 On voit sur la figure 7 un autre mode de réalisation du joint dynamique pour la protection des roulements d'un moyeu de roue de véhicule routier. Dans le cas de cette figure, les dispositions du moyeu, du roulement et de la fusée sont identiques mais l'anneau de graphite expansé comprimé (58) prend appui sur une surface cylindrique (59) usinée sur la fusée (60). La pièce métallique annulaire (61) assure la liaison élastique de l'anneau (58) avec l'anneau métallique (62) qui est bloqué dans-le logement (63) du roulement (64). La pièce (61) coopère avec le boîtier (65) pour maintenir l'anneau (58) en pression élastique sur la partie cylindrique (59). On voit que, dans le cas d'une telle disposition, c'est l'anneau (58) qui est entrâîné en rotation par le moyeu tandis que l'arbresur la surface cylindrique duquel il prend appui par l'intermédiaire du roulement est fixe. Dans cet exemple, comme dans le précédent, l'utilisation du joint dynamique suivant I 'invention permet de - maintenir les roulements à l'abri des poussières provenant de l'extérieur malgré l'échauffement du moyeu a des températures dépassant souvent 100 et même 1500C à la suite des freinages prolongés. En même temps, ce joint supprime les pertes éventuellés de lubrifiant. De très nombreux autres modes de mise en oeuvre du joint dynamique suivant l'invention sont possibles. Un tel joint peut être utilisé dans tous les cas où on se propose d'empêcher la pénétration dans une enceinte de particules solides ou de gouttes liquides le long d'un passage d'arbre, qui traverse la paroi de cette enceinte, en l'absence de différences notables de pression, entre les faces extérieures et intérieures de la paroi. REVENDICATIONS 1 / - Joint dynamique pour passage d'arbre à travers la paroi d'une enceinte en l'absence de différences notables de pression de part et d'autre de cette paroi, l'arbre étant en rotation par rapport à l'enceinte et le 1oint étant étanche au moins vis à vis de particules solides et/ou de fluides provenant de l'extérieur, caractérisé en ce qu'il comporte une pièce d'étanchéité annulaire pourvue d'une partie frottante en graphite expansé comprimé qui glisse sur une surface cylindrique ou radiale solidaire de l'arbre ou de la paroi, cette partie frottante étant reliée par un moyen de liaison métallique élastique et étanche à la paroi ou à l'arbre. 2 / - Joint suivant revendication 1, caractérisé en ce que la partie frottante est constituée par au moins un anneau en graphite expansé comprimé. 3 / - Joint suivant revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la partie frottante comporte au moins un anneau en graphite expansé comprimé soumis à une contrainte élastique par un boîtier métallique. 40/ - Joint suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que un ou plusieurs ressorts exercent une contrainte élastique sur le ou les anneaux en graphite expansé comprimé. 5 / - Application d'un joint selon l'une des revendications 1 à 4 à la protection contre les poussières ou particules abrasives des roulements qui supportent les moyeux ou les arbres de roues de véhicules.