Brevet FR2463882A1 — publié le 19810227

La présente invention concerne les joints mécaniques rotatifs frontaux, c'est-à-dire des joints. dans lesquels un organe rotatif frontal et un organe fixe frontal sont repoussés axialement l'un contre l'autre afin qu'ils soient en contact avec frottement et forment un joint pratiquement étanche, par exemple entre un arbre et son boîtier. Habituellement, l'un des organes frontaux dont l'un tourne par rapport à l'autre, est fixé axialement et l'autre est repoussé vers lui par un dispositif à ressort, par exemple un ressort hélicoïdal placé autour de l'arbre, ou une bague comprenant des ressorts individuels disposés suivant un cercle commun. On a aussi proposé l'utilisation d'un ressort spiralé en forme de boucle présentant une tension circonférentielle, prenant appui sur une surface tronconique, ou sur des surfaces tronconiques. distantes d'inclinaisons opposées afin que la force axiale nécessaire soit appliquée. Dans tous ces cas, il faut aussi que l'organe mobile axialement coopère de façon étanche avec la structure associée (c'est-à-dire avec l'arbre ou le boîtier) par l'intermédiaire d'un joint secondaire qui est étanche mais qui permet un déplacement axial.Par exemple, on sait déjà utiliser un joint en forme de coin, ou un soufflet, ou un joint torique glissant par rapport à une surface cylindrique. On sait aussi combiner les fonctions d'un dispositif élastique ou ressort et du joint secondaire par utilisation d'un manchon de caoutchouc assurant la liaison entre l'organe frontal mobile axialement et la structure associée. Ce manchon est mis sous des forces préalables de compression axiale afin que la force nécessaire soit appliquée. Lorsque l'espace libre est suffisant, l'-instal- lation et l'ajustage des joints frontaux des types décrits ne posent pas de problèmes. Cependant, lorsque la longueur axiale disponible est limitée et est en outre fixe, il faut qu'une force supplémentaire de compression axiale soit appliquée au ressort ou au manchon de caoutchouc, afin qu'il soit raccourci à une longueur inférieure à la longueur de travail, pour que le joint puisse être mis en place. Cette situation se pressente notamment dans les joints arrière des arbres d'hélices des navires, le joint devant être monté entre la saillie de l'hélice et la carcasse du navire. Une compression supplémentaire du ressort ou du manchon est nécessaire afin qu'un bout mâle ou une portée en saillie, faisant partie du joint secondaire, puisse coopérer avec la saillie de l'hélice. Pour un tel montage, il est toujours possible que le joint secondaire soit coincé ou détérioré car il doit être monté sans visibilité. De plus, l'opération de montage prend du temps et, dans le cas des installations marines importantes, elle peut nécessitèr l'application d'une force considérable. L'invention remédie aux inconvénients précités et concerne une construction de joint qui peut être monté dans un espace axial déterminé et qui permet l'obtention de la- force axiale et la formation d'un joint secondaire simultanément et d'une manière qui convient comme opération finale du montage. Plus précisément, l'invention concerne un joint mécanique rotatif frontal dans lequel l'organe frontal mobile axialement doit simultanément coopérer de façon étanche avec la structure associée et être repoussé axialement par la combinaison de deux surfaces annulaires mobiles axialement l'une par rapport à l'autre, ayant des inclinaisons opposées par rapport à l'axe de L'ensemble et convergeant l'une vers l'autre, et une bague formant une boucle qui est sous contrainte circonférentiellement, qui est en contact linéaire avec les deux surfaces et, étant donné l'inclinaison de celles-ci,qui a un effet de coin provoquant l'écartement axial de ces surfaces. L'une de celles-ci est formée sur un corps raccordé à l'organe frontal et l'autre est formée sur un corps raccordé à la structure. Un tel joint peut être monté in situ, les deux corps ayant les surfaces inclinées étant montés dans. des conditions de contraintes null-es, et, dans une étape finale, la bague est disposée et assure simultanément la mise sous contraintes axiales du joint et la formation d'un joint secondaire. Selon un montage possible, les deux corps sont sous forme de joints toriques élastiques et la bague intermédiaire est formée par un troisième joint torique. Dans une variante, la bague intermédiaire peut être rigide. Selon une autre possibilité, les deux surfaces sont formées sur des corps rigides et la bague intermédiaire est un joint torique élastique qui peut être lui-même entouré par une boucle rigide qui le repousse radialement. De préférence, tous les éléments, c'est-à-dire l'organe frontal du joint, les corps ayant les surfaces inclinées, et la bague intermédiaire, et tous les éléments dans lesquels ils sont montés, sont sous forme fendue si bien qu'ils peuvent être montés autour de l'arbre sans que l'accès à l'extrémité de ce dernier soit nécessaire. Cette disposition est particulièrement intéressante dans le cas des joints d'arbres formés dans la carcasse des navires, car la totalité du joint peut être montée sur place ou remplacée alors l'hélice est déjà montée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin sur lequel la figure 1 est une coupe par un plan contenant l'axe, d'un joint d'arbre dans la carcasse d'un navire, selon l'invention la figure 2 est une coupe partielle d'une variante du joint de la figure 1 ; et la figure 3 est analogue à la figure 1 mais représente un autre mode de réalisation. La figure 1 représente un arbre 1 d'hélice de navire portant une hélice dont le moyeu est à peine visible comme indiqué par la référence 2 et dépasse de la carcasse du navire dont une partie est visible comme indiqué par la référence 3. I1 faut noter que, lorsque l'arbre et l'hélice sont déjà en place, la longueur axiale X comprise entre la face arrière de la carcasse 3 et la face avant du moyeu 2 de l'hélice a une dimension fixe qui ne peut être modifiée que par retrait de l'hélice ou par séparation de l'arbre de l'hélice, ces deux opérations étant extrêmement coûteuses. On note donc qu'il est très avantageux que le joint puisse être monté et mis sous charge axiale sans que cette dimension ait à être modifiée d'une manière quelconque. Une bague d'usure ou siège 4, fixéeaxialement et de forme fendue, par exemple comprenant deux segments semi-circulaires, est boulonnéeà la face de l'hélice.2 et piège et comprime un joint torique 5 qui assure l'étanchéité entre ce siège et l'hélice. I1 faut noter que cette opération peut être réalisée avant que les autres parties du joint soient présentées pour le montage si bien que l'ope- ration peut être réalisée avec beaucoup d'espace , selon l'un des grands avantages de cette disposition. Une bague 6 de montage qui est aussi de forme fendue, est boulonnée de maniere analogue sur la carcasse 3. Une gorge annulaire 6' est destinée à loger un joint torique 7 de caoutchouc de section circulaire, la gorge ayant une configuration telle qu'elle piège et maintient le joint torique, c'est-à-dire qu'elle entoure en partie le joint torique lorsque celui-ci a été introduit en place à force . Le joint torique 7 est sous forme fendue c' est-à-dire qu'il est coupé en un point si bien qu'il peut être placé dans la gorge lorsque la bague 6 est déjà en place. Le joint torique 7 a une longueur légèrement en excès afin que les extrémités en butée soient repoussées l'une contre l'autre lorsqu'il est placé dans la gorge. Un second joint torique 8, fendu de la même manière que le joint 7, se loge dans une gorge 9' de la bague d'usure ou organe frontal 9 d'étanchéité formé de carbone .ou d'une autre matière convenable. Cet organe frontal 9 est sous forme fendue èt est placé en face du siège 4 afin que ces deux éléments frottent l'un contre l'autre. Des griffes 10- de l'extrémité arrière de la bague 6 de montage coopèren.t avec l'organe 9 et ont pour rôle, de manière connue, d'empêcher la- rotation de cet organe avec le siège 4, mais sans perturbation de ses possibilités de déplacement axial libre, au contact du siège. Lorsque les éléments 6 et 9 et les deux joints toriques 7 et 8 sont en place, un troisième joint torique 11 de caoutchouc, sous forme fendue, est enroulé autour des deux joints toriques 7 et 8 puis serré radialement vers l'intérieur par une boucle métallique rigide 12 de forme fendue, placée autour. La boucle est par exemple formée en deux moitiés, tirées l'une contre l'autre par des boulons tangentiels non représentés.On note que, lorsque la boucle 12 est serrée, elle repousse le joint torique 11 entre les deux autres, assurant ainsi le contact mutuel des joints sur une région de la surface de chacun des joints qui est inclinée par rapport à l'axe de l'ensemble, les inclinaisons des deux surfaces étant de sens opposés.L'effet résultant de coin assure une poussée axiale des joints 7 et 8 qui s'écartent, avec application d'une force de poussée axiale d'extrémité qui repousse l'organe 9 en contact avec le siège 4, par coopération par friction. En outre, comme le joint torique 11 est en contact circonférentiel suivant une ligne continue, il forme un joint secondaire efficace assurant l'étanchéité entre l'organe 9 et la structure associée formée par la carcasse 3. L'importance de la force de poussée axiale, par rapport à la force appliquée par la boucle 12, dépend de l'angle d'inclinaison des tangentes aux lignes de contact entre les joints toriques. Cette force peut être modifiée en fonction des critères d'utilisation, par sélection des dimensions axiales convenant au montage de la bague 6 et de l'organe frontal 9, compte tenu de la dimension fixe X. La poussée axiale est maximale et la force de compression minimale lorsque les axes des coupes des trois bagues sont presque alignés, alors qu'une faible poussée axiale et une faible constante élastique permettent un rapprochement des bagues 7 et 8, avec écartement de la bague 11 vers l'extérieur. On peut cho.isir différentes dimensions de joint torique 11 en fonction des variations de la distance X dans diverses installations ; les petites variations peuvent être compensées par réglage du diamètre interne de la boucle 12, soit par usinage soit par introduction d'entretoises dans les joints en butée formés entre ses segments. D'autres réglages des caractéristiques élastiques peuvent être obtenus par modification de la confiquration de la section des joints toriques et/ou des gorges 6' et 9'. La figure 2 représente une variante dans laquelle le joint torique 11 et la boucle 12 sont remplacés par une boucle métallique rigide fendue 13 ayant une section en forme de coin. La caractéristique et l'effet d'étanchéité secondaire sont conservés car les joints toriques 7 et 8 sont encore formés de caoutchouc. La figure 3 représente un autre mode de réalisation dans lequel les références identiques à celles de la figure 1 désignent des éléments analogues. Le joint torique 11 est conservé, avec une boucle 12' analogue à la boucle 12, mais les deux autres joints. toriques 7 et 8 sont supprimés et remplacés par des surfaces inclinées formées sur des corps rigides. La bague 6 de montagne de la figure 1 est remplacée par une bague 14 de montage ayant une surface tronconique convergente 15 avec laquelle le joint torique 11 est en contact linéaire.L'organe frontal 9 d'étanchéité est remplacé par un organe 16 ayant une surface inclinée 17, convergeant en sens opposé vers la surface 15, le joint torique 11 étant aussi en contact linéaire avec cette surface inclinée. I1 s'agit en fait de l'inverse de la version de la figure 2. I1 existe encore un effet de coin et un effet de joint secondaire entre une surface élastique et une surface rigide au niveau de deux surfaces d'inclinaisons opposées. I1 faut noter que les inclinaisons des surfaces 15 et 17 par rapport à l'axe de l'ensemble ne sont pas forcément égales. En fait, l'une peut être plus inclinée que l'autre et, à la limite, l'une peut être perpendiculaire à l'axe, c'est-à-dire sous forme dtune face radiale, pourvu que l'autre soit inclinée suivant un angle convenable pour que l'effet nécessaire de coin soit obtenu. Il faut noter que, dans les exemples qui précèdent, le contact qui assure l'effet de coin est réalisé soit entre deux surfaces élastiques, c'est-à-dire celles de deux joints toriques, soit entre une surface élastique et une surface rigide, afin qu'un joint secondaire efficace soit conservé à tout moment. RSVEND iCTIONS 1. Joint mécanique rotatif frontal, ayant un organe frontal d'étanchéite mobile axialement, repoussé élastiquement en direction axiale au contact d'un siège et quel que le siège et l'organe peuvent tourner l'un par rapport à l'autre, cet organe coopérant par ailleurs de manière étanche avec une structure sur laquelle l'organe frontal d'étanchéité est monté, ledit joint mécanique étant caractérisé en ce qu'il comprend deux surfaces annulaires mobiles axialement l'une par rapport à l'autre (7,8 ;; 15,17)ayant des inclinaisons opposées par rapport à l'axe du joint dans son ensemble, et convergeant l'une vers l'autre, et une bague en forme de boucle (11, 13) soumise à des contraintes circonférentielles, en contact linéaire avec les deux surfaces et, étant donné l'inclinaison, ayant un effet de coin qui provoque la séparation axiale des deux surfaces, l'une des surfaces (7, 15) étant raccordée à la structure (3) et l'autre étant raccordée à l'organe frontal d'étanchéité (9, 16), la bague (11, 13) formant un joint étanche avec les deux surfaces. 2. Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bague (11) est formée d'une matière élastique. 3. Joint selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les surfaces sont celles de corps (7, 8) de matière élastique. 4. Joint selon la revendication 3, caractérisé en ce que la bague (13) est formée de matière rigide et a une section en coin (figure 2). 5. Joint selon les revendications 2 et 3 prises ensemble, caractérisé en ce que la bague tll) est un joint torique de caoutchouc et les corps sont deux joints toriques supplémentaires (7, 8) (figure 1). 6. Joint selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'une des surfaces. (17) est formée sur l'organe frontal d'étanchéité (16) lui-même (fígure 3). 7. Joint selon l'une des revendications 2 et 6, caractérisé en ce que la bague (11) est entourée par une boucle (12, 12') d'une matière rigide qui serre la- bague radialement vers l'intérieur. 8. Joint selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que chacun des éléments du joint dans son ensemble est sous forme fendue.