Brevet FR2462628A1 — publié le 19810213

La présente invention a trait à des joints hermétiques, parfois appelés garnitures, utilisés pour constituer un joint hermétique aux fluides entre deux surfaces en vis-à-vis, les surfaces étant habituellement en métal et déplaçablesl'une par rapport à l'au tre. De tels joints hermétiques sont ordinairement de forme cylindrique annulaire ou creuse, et sont réalisés en caoutchouc, en matière plastique, et en autres polymères naturels et synthétiques. Les joints herméti oueds s'adaptent très étroitement entre les surfaces en vis-à-vis à rendre étanches, et lorsque la pression augmente durant une utilisation, les joints hermétiques se déforment pour accrortre l'effet d'étanchéité. Certaines garnitures sont souvent chargées élastiquement, tel que par un ressort, pour pressuriser la garniture et assurer un joint hermétique satisfaisant même à des pressions basses. La pression de fluide sur une garniture cylindrique creuse s'exerce axialement. Puisque la garniture ne peut pas se déplacer axialement sauf dans la mesure où elle est comprimée, elle transforme la pression de fluide exercée axialement en pression radiale accrue contre les surfaces entre lesquelles la garniture est placée. La pression de fluide est, bien entendu, plus élevée à une extrémité du joint hermétique qu'à l'autre, et il arrive que la répartition de pression dans le joint ne soit pas uniforme d'une extrémité à l'autre. Au contraire, la pression radiale est la plus faible à l'extrémité du joint la plus proche de la pression de fluide élevée et augmente exponentiellement vers l'extrémité du joint la plus éloignée de la pression de fluide élevée. Ce phénomène est illustré à la page 43 du numéro du 20 janvier 1977 de la revue "Machine Design". La répartition non uniforme de la pression de garniture radiale n'est habituellement pas un problème à des températures et à des pressions relativement basses (par exemple inférieures à 211 kg/cm2) du fait que le caractère élastomère du matériau du joint l'absorbe. Cependant, lorsque des joints hermétiques en polymère sont utilisés dans des applications à haute température, la température élevée provoque une réduction importante des propriétés physiques du matériau du joint, et par suite le rend moins à même d'absorber la répartition de pression radiale non uniforme. Ceci conduit finalement à une défaillance du joint. La présente invention a pour objet de surmonter ce problème en réalisant un joint hermétique ou garniture à l'intérieur duquel existe une répartition plus uniforme de pression radiale, de sorte qu'il demeure utilisable sur la plage de températures dans laquelle le polymère constituant le joint est stable, et même à des différences de pression très 2 élevées, par exemple du vide à 2.812 kg/cm2. La présente invention repose sur le fait que le module de compression d'une pièce en polymère est proportionnel au "facteur de forme" de la pièce. Cette relation est illustrée à la page 34 d'une brochure intitulée "Engineering Design with Natural Rubber", Quatrième Edition, 1974, publiée par The Malaysian Rubber Producers' Research Association; Londres, Grande-Bretagne. Le terme "facteur de forme" représente le rapport de la surface chargée de la pièce en polymère, ctest-à-dire la surface transversale à la direction axiale du joint, aux surfacea exemptes -de force de la pièce, c'est-à-dire les surfaces parallèles à la direction axiale du joint. Ceci signifie que pour la même surface chargée, plus le joint est mince dans le sens axial, plus son module de compression est grand. Avec ceci présent à l'esprit, un autre but de la présente invention est de réaliser une garniture dans laquelle le module de compression augmente exponentiellement avec la distance par rapport à la région de pression de fluide élevée, de façon à compenser l'augmentation de répartition de pression radiale subie par la garniture. Cet objectif est atteint, selon l'invention, en utilisant une garniture qui est un élément composite de bagues élastomères ayant des facteurs de forme progressivement plus grands à mesure que les bagues s'éloignent de la région à pression élevée. Pour des bagues de surface uniforme, des facteurs de forme progressivement plus grands sont obtenus en réalisation les bagues progressivement plus minces. Il en résulte que chaque bague est extrudée vers l'extérieur d'environ le même degré, réduisant ainsi une usure inégale du joint sur sa longueur. Une caractéristique de l'invention est l'utilisation d'entretoises à module de compression élevé, par exemple des bagues de métal, entre chaque paire successive de bagues élastomères, de sorte que l'ensem- ble de bagues élastomères ne se comportent pas comme une inique garniture élastomère avec la répartition de pression radiale non uniforme usuelle. L'effet de l'utilisation de bagues de métal plus rigides est accru si elles sont liées de façon permanente aux bagues élastomères avec lesquelles elles sont en contact, de façon à former un empilage unitaire de bagues élastomères et plus rigides alternées. D'autres buts et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, en regard des dessins annexés. La Figure 1 est une coupe longitudinale schématique d'un dispositif à cylindre et piston actionné par fluide comportant des joints nermétiques selon l'invention. La Figure 2 est une vue en perspective éclatée, à grande échelle et nvec une partie arrachée, du joint hermétique selon la présente invention. En vue de simplifier la représentation, la Figure 1 représente des joints hermétiques selon la présente invention incorporés à un dispositif à cylindre et piston. On comprendra, cependant, que de tels joints hermétiques peuvent être utilisés dans une large variété d'appareils, et sont particulièrement utiles comme joints hermétiques dynamiques entre deux pièces relativement mobiles, en particulier des pièces métalliques. Le mouvement relatif peut être de translation, comme représenté, ou de rotation. Le dispositif à cylindre et piston comprend un cylindre 10 possédant un alésage interne 11 et deux orifices 12 et 13 pratiqués dans sa paroi latérale. Un piston 14 peut coulisser axialement à l'intérieur de l'alésage Il et est monté sur l'extrémité 15 à diamètre réduit d'une tige de piston 16. L'extrémité 15 est filetée, et un écrou 17, vissé sur cette extrémité, maintient le piston 14 étroitement contre un épaulement 18 de la tige de piston 16. Un joint annulaire d'étanchéité 21, à l'intérieur d'un alésage agrandi dans le piston 14, entoure l'extré- mité 15 de la tige de piston et empêche une fuite de fluide, depuis une face du piston vers l'autre, entre l'extrémité 15 et le piston. Une plaque circulaire 19, ayant un diamètre approximativement égal à ou légèrement inférieur au diamètre de l'alésage 11, est située entre le piston 14 et l'épaulement 18. La tige de piston 16 coulisse dans un trou 20 pratiqué dans une paroi terminale du cylindre 10. En utilisation, un fluide sous pression élevée, tel que de l'air comprimé ou de l'huile, est appliqué à un orifice 12 et s'échappe de l'orifice 13, pour déplacer le piston 14 et la tige 16 vers la droite sur la Figure 1. Ensuite, le fluide sous pression élevée est appliqué à l'orifice 13 et s'échappe de l'orifice 12 pour déplacer le piston 14 et la tige 16 vers la gauche. Ce fonctionnement est, bien entendu, tout à fait classioue. A une extrémité 23, le diamètre du piston 14 est approximativement égale à ou légèrement inférieur au diamètre de l'alésage 11. Entre cette extrémité et la plaque 19, le diamètre du piston est réduit pour constituer une gorge annulaire 24 en vue de recevoir un joint hermétique 25. Le diamètre du trou 20 est réalisé considérablement plus grand, sur la majeure partie de sa longueur, que le diamètre de la tige de piston 16, pour constituer une région annulaire en vu de loger un joint hermétique 26. Les joints 25 et 26 sont réalisés conformément à la présente invention. Ainsi qu'on le voit mieux sur la Figure 2, chaque joint comprend un empilage 29 4e bagues élastomères 30,31,32,33,34,35 et 36 alternant dans l'em- pilage avec des bagues 37 en matériau à module de compression élevé tel qu'en métal. Bien que sept bagues élastomères soient représentées dans le présent exemple, davantage ou moins pourraient être utilisées. 3e préférence, chacune des bagues 30-37 est fixée de façon permanente, tel qu'au moyen d'une colle appropriée, à la ou aux bague(s) avec lesquelles elle se trouve en contact, de sorte que la totalité des bagues 30-37 constituent un ensemble unitaire de joint hermétique.De plus, il est avantageux que les deux bagues extrêmes de l'empilage 29 soient des bagues métalliques 37 de sorte que les extrémités du joint soient rigides et résistantes à l'usure. On observera que les bagues élastomères 30-36 sont progressivement plus minces dans le sens axial de la pile, c'est-à-dire que la bague 31 est est plus mince que la bague 30, que la bague 32 est plus mince que la bague 31, que la bague 33 est plus mince que la bague 32, etc. Les bagues métalliques 37 peuvent, cependant, être toutes de même épaisseur. Le joint 25 porté par le piston 40 comprend deux empilages de bagues 29 en série. Entre les empilages se trouve-un joint annulaire classique 39 en matériau élastomère, et entre le joint annulaire et chaque empilage se trouve une bague d'appui 40 en matériau relativement rigide, telle qu'une matière plastique appropriée. Le joint annulaire 39 n'augmente que de façon insignifiante, si tant est qu'il le fasse, l'effet d'étanchéité des empilages 29 ; le rôle principal du joint annulaire est d'appliquer une charge axiale élastique aux empilages 29. Par conséquent, le joint annulaire 39 pourrait être remplacé par tout organe élastique approprié capable de charger axialement les empilages 29. Chaque bague d'appui 40 possède une surface plane 42 venant au contact de la bague terminale 37 de son empilage respectif, et une face concave 43 constituant un siège recevant le joint annulaire 39. Dans le joint 25, les bagues plus épaisses 30 des empilages 29 sont plus près du joint annulaire 39, et les bagues les plus minces 36 sont plus près des faces terminales du piston 14 et de la plaque 19. Lorsque le piston 14 se déplace vers la droite, ceste à-dire lorsque le fluide sous pression élevée se trouve à gauche du piston, l'empilage 29 à la droite du joint annulaire 39 sert de joint principal entre le piston et la paroi du cylindre. Lorsque le piston 14 se déplace vers la gauche, c'est-à-dire lorsque le fluide sous pression élevée se trouve à droite du piston, l'empilage 29 à gauche du joint annulaire 39 sert de joint principal. Ainsi, durant un mouvement du piston, l'extrémité de chaque empilage actif 29 ayant la bague la plus épaisse 30 est plus près de la région à pression élevée que l'extrémité de l'empilage ayant la bague 36 la slus mince.Par conséquent, la répartition non uniforme de pression radiale habituellement rencontrée dans des joints hermétiques dans un tel endroit est compensée, et la répartition de pression radiale à l'intérieur de chaque empilage 29 est sensiblement uniforme. Il en résulte qu'aucune des bagues 30 à 36 sera extrudée radialement dans une mesure supérieure à toute autre, et par suite aucune bague ne s'usera plus rapidement par coulissement sur la paroi de l'alésage 11. L'empilage 29 du joint 26 est également monté avec un joint annulaire 39 et une bague d'appui 40, le joint annulaire servant à charger axialement élastiquement l'empilage. Une bague élastique 46, s'adaptant dans une gorge annulaire de la paroi du trou 10, maintient le joint 26 en position, une entretoise 47 étant picée entre la bague élastique 46 et l'extrémité de l'empilage 29. Dans le joint 26, l'extrémité de l'en pilage 29 ayant la bague 30 > plus épaisse est plus près du joint annulaire 39 parce que de cette façon elle est plus près de la région à pression élevée à llintériellr de l'alésage 11. Les dimensions particulières des bagues 30-37 dépendront des matériaux utilisés pour les fabriquer et de l'environnement dans lequel le joint sera utilisé. Néanmoins, pour favoriser l'explication de l'invention, un joint particulier ayant été utilisé avec succès sera décrit. Les bagues élastomères 50-36 sont réalisées en caoutchouc nitrile et possèdent les dimensions suivantes : diamètre extérieur 47,5 mm, diamètre intérieur 38,22 mm, et des épaisseur comme suit Bague 30 2,3876 mm Bague 31 1,1938 mm Bague 32 0,8128 mm Bague 33 0,5842 mm Bague 34 0,4826 mm Bague 35 0,4064 mm Bague 36 0,3556 mm. Les bagues métalli-ues ont 0,702 mm d'épaisseur et ont les mêmes diamètres interne et externe que les banques de caoutchouc. L'invention a été représentée et décrite dans une forme préférée seulement, et à titre d'exemple, et de nombreuses modifications peuvent y être apportées qui seront englobées dans le cadre de ladite invention. On comxndra, par conséquent, que l'invention n'est pas limitée à un mode de réalisation particulier quelconque sauf dans la mesure où de telles limitations sont énoncées dans les revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Joint hermétique à couches multiples, caractérisé en ce qu'il comporte un empilage de bagues, dont certaines sont réalisées en matériau élastomère et d'autres en matériau plus rigide, les bagues élastomères et rigides alternant dans le sens axial de l'empilage, chacune desdites bagues rigides étant discrète et le joint hermétique étant dépourvu d'organes de traansmission de force rigides entre lesdites bagues rigides, chacune desdites bagues élastomères étant discrète et non reliée à une autre bague élastomère à l'extérieur des bagues rigides qui les séparent, et les bagues élastomères étant progressivement plus minces dans le sens axial de l'empilage. 2. Joint hermétique à couches multiples selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque bague est fixée à la bague suivant dans 1 'empilage. 3. Joint hermétique à couches multiples selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux bagues terminales de l'empilage sont en matériau rigide. 4. Joint hermétique à couches multiples selon la revendication 1, caractérisé én ce que chacune desdites bagues possède une forme en coupe rectangulaire. 5. Joint hermétique à couches multiples selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau rigide est un métal. 6. Joint hermétique à couches multiples selon la revendication 1 en combinaison avec des moyens pour lui appliquer une charge de compression axiale élastique. 7. Joint hermétique à couches multiples selon la revendication 1, en combinaison avec deux surfaces en vis-à-vis, une différence de pression de fluide existant entre les extrémités desdites surfaces, et le joint hermétique à couches multiples se trouvant entre lesdites surfaces en vis-à-vis avec la plus épaisse des bagues élastomères étant la plus près de l'extrémité à pression plus élevée desdites surfaces en vis-à-vis.