Brevet FR2471530A1 — publié le 19810619

L'invention concerne un joint d'étanchéité annulaire pour arbres, composé d'un anneau raidisseur qui présente un rebord annulaire intérieur faisant saillie en direction du fluide dont il s'agit d'empocher le passage, ainsi qued'une bagueà lèvre enmatériau élastique, qui est emboîtée par un évidement annulaire en forme de rainure d'une face d'extrémité de la bague sur le rebord de l'anneau raidisseur, le profil de ce rebord étant adapté à celui de la rai- nure. Un tel joint d'arbre est connu par le modèle d'utilité 74 41 828 de la République Fédérale d'Allemagne mais les profils de l'anneau raidisseur et de la bague à lèvre de ce joint connu sont très compliqués, ce qui augmente le coût de fabrication. De plus, même de faibles écarts dimensionnels des deux pièces au droit des surfaces de contact peuvent à l'assemblage produire des défauts de précision qui modifient les forces avec lesquelles la lèvre d'étan- chéité est pressée contre l'arbre étanché, ce qui nuit généralement à l'effet d'étanchéité obtenu. L'invention vise à perfectionner un joint d'arbre du type indiqué au début de manière à permettre une fabrication simple du joint et à assurer l'obtention d'une étanchéité nettement meil- leure. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, la bague à lèvre affecte la forme d'un cylindre creux, dont le diamètre intérieur est adapté au diamètre extérieur de l'arbre à étancher, le rapport entre la profondeur de la rainure et la lon- gueur de la bague jusqu'à la lèvre d'étanchéité éloignée de l'anneau raidisseur est tout au plus de 6:10 et le diamètre moyen du rebord intérieur de l'anneau raidisseur est plus grand que le diamètre moyen de la rainure. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de deux exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une coupe axiale d'un anneau raidisseur métallique; la figure 2 est une coupe axiale d'une bague à lèvre telle qu'elle se présente après son tronçonnage d'un tuyau préextrudé; la figure 3 est une coupe axiale d'un joint selon l'in- vention, obtenu par l'assemblage par collage de l'anneau de figure 1 et de la bague de figure 2, le joint étant représenté en place sur un arbre; et la figure 4 est une coupe axiale d'un joint selon un autre exemple de réalisation, dans lequel l'anneau raidisseur et la bague à lèvre sont maintenus ensemble d'une autre manière. L'anneau raidisseur A (figure 1) d'un joinz d'arbre selon l'invention sera généralement réalisé en tale d'acier par découpage suivi d'une opération d'emboutissage. Il peut être réalisé en matières plastiques, selon des procédés appropriés, si les conditions de mon- tage et les charges pendant l'emploi normal sont connues exactement. Comme cela n'est souvent pas le cas, on préférera généralement des anneaux raidisseurs métalliques parce qu'ils possèdent une plus grande résistance mécanique et ne présentent pas de phénomènes de relaxation, ce qui assure pendant longtemps une force de pressage constante de la partie extérieure cylindrique 2 de l'anneau contre la paroi de l'alé- sage récepteur de joint du carter de machine étanché. La conservation d'une forte pression de contact constante entre ces deux surfaces est nécessaire parce que ce n'est que de cette manière que puisse être garanti, à côté de l'effet d'étanchéité statique requis, le maintien de la disposition relative, même en cas de vibrations. L'anneau raidisseur A a un profil en U s'ouvrant d'un côté en direction axiale et l'aile ou rebord radialement intérieur 3 de ce profil est incliné vers l'axe de l'anneau suivant un angle de cOne Wi. L'extrémité avant ou extrémité libre du rebord 3 est située à une distance X3 de l'intérieur de la base (orientée radiaiement) de l'anneau A. Le diamètre moyen C1 du rebord 3 correspond à la dis- tance entre les centres de gravité de deux aires de section opposées du rebord, chaque aire de section étant délimitée par les surfaces annulaires intérieure et extérieure du rebord 3 et par les extrémités fixées par la longueur axiale X3 du rebord. La bague à lèvre B du joint d'arbre selon l'invention est en matériau élastique, de préférence à base de caoutchouc naturel ou synthétique. Elle est produite par extrusion d'un tuyau souple, 24 7 15 3 0 d'o sont coupés, après la vulcanisation, des morceaux ou tronçons ayant la longueur et la forme de la bague à lèvre. La coupe est réa- lisée par tronçonnage sur un tour (à décolleterou autre), ce qui assure dans tous les cas l'obtention d'une pièce à parfaite symétrie de révolution.Unautre pointimportant de cette solution est que seule- ment les deux faces d'extrémité de la bague sont à usiner. La peau de vulcanisation, importante pour la tenue à l'usure, est ainsi con- servée, surtout sur la paroi intérieure de la bague (diamètre inté- rieur D). L'application d'un procédé d'extrusion pour produire l'ébauche de bague conduit à uniformiser considérablement la struc- ture moléculaire du matériau de la pièce finie. Jusqu'à présent, de telles pièces sont produites par pressage ou moulage par injection dans des moules creux. Comme l'écoulement de la matière dans le moule est difficile à maîtriser, les pièces moulées présentent des irrégu- larités dans la structure moléculaire, donc aussi dans les caracté- = ristiques mécaniques. Les pièces moulées prévues pour une application sous des conditions sévères ou rigoureuses doivent de ce fait être contrôlées individuellement en règle générale. Le procédé pour pro- duire la bague à lèvre selon l'invention assure au contraire une homogénéité parfaite de la structure moléculaire de toutes les portions de la bague, donc aussi des propriétés mécaniques équilibrées, de même que la reproductibilité complète en ce qui concerne les caractéris- tiques et les dimensions de bagues à lèvre fabriquées les unes après les autres. Le procédé permet de ce fait la fabrication - préférée - de joints d'arbre de haute qualité en grandes séries. Le principal domaine d'application du joint selon l'in- vention est l'étanchéité de traversées d'arbre en présence de liquides, gaz ou solides. L'angle d'inclinaison idéal des flancs définissant la lèvre d'étanchéité par rapport à la surface de l'arbre étanché est obtenu par ajustement de la position relative et de l'angle de la rainure 5 par rapport à l'emplacement et l'angle du rebord 3 de l'an- neau raidisseur, ainsi que par le biseautage approprié des faces d'extrémité 15, 16. Ce biseautage est avantageusement réalisé en même temps que le tronçonnage de la bague à lèvre du matériau de départ que constitue le tuyau. 247 1530 La rainure annulaire 5 possède une largeur qui corres- pond sensiblement à la largeur du rebord 3. Sa profondeur X peut être légèrement plus grande que la cote X3 de l'anneau raidisseur. Le plus petit diamètre de la rainure 5 est, dans tous les cas, infé- rieur au plus petit diamètre du rebord 3, de sorte que la bague est élargie dans la région du fond de la rainure pendant l'assemblage des deux pièces, ce qui a pour effet que la partie concernée de la bague est écartée de la surface de l'arbre pour former une cavité 9 délimitée par les deux lèvres d'étanchéité 7 et 8. Après l'assemblage des pièces A et B. , le diamètre intérieur des deux lèvres correspond sensiblement au diamètre intérieur D du tuyau. Les lèvres s'appliquent sur la surface de l'arbre étanché 6 avec une précontrainte élastique qui dépend de l'adaptation mutuelle du diamètre intérieur D et du diamètre de l'arbre. L'adaptation optimale doit être déterminée pour chaque cas par des essais. Cependant, d'une manière générale, l'éga- lité au moins approximative du diamètre D et du. diamètre de l'arbre 6 constitue une base de départ favorable pour une bonne adaptation. Si le joint a été bien conçu et s'il est bien employé, il ne sera généralement pas nécessaire d'augmenter la force de pressage des lèvres par des ressorts à boudin courbés en cercle ou par des élé- ments de pression semblables. Les lèvres d'un joint selon l'invention sont ainsi mieux en mesure de suivre les vibrations de l'arbre étanché, de sorte qu'elles peuvent également assurer une bonne étanchéité sous des conditions défavorables. La grande mobilité des lèvres est prin- cipalement déterminée par le fait que le rapport entre la profondeurX de la rainure 5 de la bague et la longueur X9 de la bague jusqu'à la lèvre 7 correspond tout au plus à 6:10. Il est mieux encore que ce rapport soit tout au plus de 5:10, à condition que la rainure soit, dans tous les cas, au moins suffisamment profonde pour qu'elle puisse recevoir complètement le rebord 3 de l'anneau raidisseur. Le rebord 3 de l'anneau raidisseur se rétrécit, uu moins par sa partie avant, suivant un premier angle de cône W1, tandis que la rainure 5 se rétrécit dans la région de son fond suivant un second angle de cône W2. Ces deux angles peuvent être égaux mais il s'est avéré plus avantageux que le premier soit plus grand que le second et notamment que l'angle W1 soit le double de l'angle W. La rainure5 2 4 7 1 5 3 0 de la bague à lèvre est de préférence située dans le tiers extérieur de l'épaisseur de paroi de la bague. Son emplacement exact est déter- miné par le diamètre moyen C2, lequel correspond à la distance entre deux aires de section opposées de la rainure 5, La partie de bague située radialement à l'extérieur de la rainure est relativement mince et, après le fléchissement suivant un angle relativement vif de cette partie de bague pendant l'assemblage avec l'anneau raidisseur, la liaison entre les deux pièces est très flexible. De bons résultats ont été obtenus avec des angles W1 de l'ordre de 40 à 480, de préfé- rence de 44 , et des angles W2 de l'ordre de 20 à 280, de préférence de 240. Le rapport entre le diamètre moyen C2 de la rainure 5 et le diamètre moyen C1 du rebord 3 doit être de 9:10 au moins, de pré- férence de 9,5:10 au moins. Ce rapport est en tout cas le facteur déterminant de l'angle d'inclinaison de la lèvre par rapport à l'arbre. Des écarts par rapport aux angles indiqués ci-dessus sont possibles suivant les propriétés spécifiques du fluide dont il faut empêcher le passage. Cependant, les essais effectués jusqu'à présent n'ont pas nécessité des changements à cet égard, ce qui est plutôt étonnant compte tenu de la diversité des angles d'inclinaison utilisésjusqu'à maintenant dans ce domaine. Pour assembler l'anneau raidisseur A avec la bague à lèvre B., il faut élargir cette dernière élastiquement dans le sens radial, surtout par ses parties situées à l'extérieur de la rainure et dans la région du fond de la rainure, ce qui s'effectue avanta- geusement à l'aide d'une presse. Pour empêcher que, après la détente consécutive, la bague à lèvre ne glisse de la surface du rebord 3, se. rétrécissant coniquement vers l'avant, il s'est avéré avantageux de former un ou plusieurs crans circulaires concentriques sur la surface extérieure du rebord. On peut obtenir une amélioration supplé- mentaire par la prévision de bourrelets 12 - dont le profil est adapté à celui des crans 11 - sur le flanc radialement extérieur de la rainure. Lorsque les deux pièces sont pressées ensemble, les bourrelets viennent se placer dans les rentrants 11 formés par les crans et produisent, par leur pressage élastique contre le fond des rentrants, une très bonne étanchéité et un bon ancrage. 2 4 7 15 3 0 Il est possible aussi de coller le flanc radialement extérieur de la rainure 5 sur le côté extérieur du rebord 3. Les colles utilisables à cet effet sont en premier lieu des colles réti- culables chimiquement, dont le durcissement peut être accéléré par un chauffage. La colle est appliquée de préférence sur la surface du rebord de l'anneau raidisseur et amenée à l'état de préréticulation chimique B avant l'assemblage avec la bague à lèvre. Les pièces peu- vent ensuite être assemblées proprement et être reliées de façon durable l'une à l'autre dans une presse chauffante produisant le durcissement complet de la colle. Les dessins représentent des exemples de joints d'arbre selon l'invention, mais qui ne sont nullement limitatifs. Il est notamment possible aussi d'apporter des modifications pour l'appli- cation de tels joints à des traversées de barres, en tenant compte de l'état de la technique dans ce domaine et sans que cela demande une activité inventive quelconque. La figure 1 représente un anneau raidisseur A en tôle d'acier emboutie. Le matériau de cet anneau correspond à une qualité usuelle. L'épaisseur de la tôle est de 0,8 mm. L'anneau s'ouvre en U vers le côté droit dans la repré- sentation de la figure 1 et son pourtour est rectifié à une cote limite exacte pour l'obtention d'un ajustement pressé étanche au liquide après mise en place par pressage dans un alésage récepteur d'un carter. Le rebord de l'anneau représenté se rétrécit comiquement sur toute son étendue suivant un angle W1 de 440 entre les bords radia- lement intérieurs des aires de section opposées du rebord 3. Celui-ci peut également comprendre une première partie orientée axialement à partir de la base de l'anneau et une deuxième partie inclinée vers l'axe. Le plus petit diamètre du rebord est de 47,4 mm dans le cas d'un joint destiné à étancher un arbre d'un diamètre de 43 mm. La cote X est de 3,8 mm. La figure 2 représente la bague à lèvre allant de paire avec l'anneau de la figure 1. La bague est produite par tronçonnage d'un tuyau préextrudé et vulcanisé complètement en morceaux à symé- trie de révolution. La bague est en caoutchouc acrylonitrilebutadiène d'une dureté Shore A de 75. La rainure 5 réalisée au tour dans la face d'extrémité représentée à gauche sur la figure 2 possède un diamètre maximal de 49 mm. Les aires de section opposées de cette rainure définissent entre elles un angle W2 de 24 . La cote X1 (pro- fondeur de la rainure) est de 5 mm pour une cote X2 (longueur jusqu'à la lèvre d'étanchéité 7) de 10 mm. La bague possède un diamètre exté- rieur de 51 mm, un diamètre intérieur de 43 mm et une longueur totale de 11 mm. L'anneau raidisseur A et la bague à lèvre B sont ensuite collés ensemble par leurs surfaces de contact 10, comme représenté sur la figure 3. Cet assemblage produit, outre la liaison durable des deux pièces, la déformation représentée schématiquement de l'ensemble de la bague. Les lèvres d'étanchéité formées par les bords intérieurs des deux faces d'extrémité de la bague s'appliquent élastiquement contre la surface de l'arbre 6 au montage du joint sur celui-ci (l'arbre ayant un diamètre de 43 mm), la déformation de la bague créant égale- ment une cavité annulaire 9 entre les deux lèvres d'étanchéité 7, 8. Plusieurs essais en marche sous des conditions de service réelles ont pu confirmer qu'un tel joint ainsi monté assure une excellente étan- chéité. La figure 4 représente une variante de réalisation qui se distingue en fait seulement de l'exemple précédent en ce que le rebord de l'anneau raidisseur, se rétrécissant coniquement vers l'avant, forme un rentrant 11, dans lequel, à l'assemblage, la bague B s'ajuste par un bourrelet 12 de forme complémentaire. Le joint monté de façon adéquate assure une étanchéité suffisante jusqu'à une diffé- rence de pression de 0,6 bar. Un joint de ce type convient donc pour la plupart des cas se présentant dans la pratique. Il est encore à noter, figure 4, que la partie arrière du rebord 3 forme une protubérance circulaire 14 faisant radialement saillie vers l'intérieur. La lèvre d'étanchéité 8 formée par la par- tie adjacente de la bague et se trouvant donc à l'opposé de la lèvre d'étanchéité 7 peut former une lèvre antipoussière. RE V END ICA TI ON S ___________________________ l. Joint d'étanchéité annulaire pour arbres, composé d'un anneau raidisseur qui présente un rebord annulaire intérieur faisant saillie en direction du fluide dont il s'agit d'empocher le passage, ainsiqued'unebagueàlèvreenmatériau élastique, qui est emboîtée par un évidement annulaire en forme de rainure d'une face d'extrémité de la bague sur le rebord de l'anneau raidisseur, le profil de ce rebord étant adapté à celui de la rainure, caractérisé en ce que la bague à lèvre (B) affecte la forme d'un cylindre creux, dont le dia- mètre intérieur est adapté au diamètre extérieur de l'arbre (6) à 10. étancher, le rapport entre la profondeur (X) de la rainure (5) et la longueur- (X 2) de la bague (B) jusqu'à la lèvre d'étanchéité (7) éloignée de l'anneau raidisseur (A) est tout au plus de 6:l et le diamètre moyen (C) du rebord intérieur (3) de l'anneau raidisseur (A) est plus grand que le diamètre moyen (C 2) de la rainure (5). 2. Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport entre la profondeur (X) de la rainure et la longueur du cylin- dre creux (X2) jusqu'à la lèvre d'étanchéité (7) éloignée de l'anneau raidisseur (A) correspond tout au plus à 5:10. 3. Joint selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le rebord (3) se rétrécit coniquement sous un premier angle (W1), du moins dans sa partie avant. - 4. Joint selon la revendication l ou 2, caractérisé en ce que la rainure (5) se rétrécit coniquement sous un second angle (W2), du moins dans la région de son fond. 5. Joint selon les revendications 3 et 4 prises ensemble, caractérisé en ce que le premier angle (W1) est plus grand que le second angle (W2). 6. Joint selon la revendication 5, caractérisé en ce que le premier angle (Wl) est tout au plus deux fois plus grand que le second angle (W 2). -7. Joint selon la revendication 6, caractérisé en ce que le premier angle (W1) est de 40 à 480 et que le second angle (W2) est de à 280. 8. Joint selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le rapport entre le diamètre moyen (C2) de la rainure (5) et le diamètre moyen (C 1) du rebord 3 est au moins de 9:10 et de préférence de 9,5:10 au moins. 9. Joint selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la profondeur (X1) de la rainure (5) est plus grande que la longueur (X3) du rebord (3). 10. Joint selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le rebord (3) présente un ou plusieurs crans ou rentrants (11) circulaires concentriques sur son pourtour. 11. Joint selon la revendication 10, caractérisé en ce que le flanc radialement extérieur de la rainure (5) présente des bourrelets (12) dont le profil est adapté a celui des rentrants (11). 12. Joint selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le flanc radialement extérieur de la rainure (5) est collé sur le c8té extérieur du rebord (3). 13, Joint selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la partie arrière du rebord (3) présente une protubérance circulaire (14) faisant radialement saillie vers l'inté- rieur. 14. Joint selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le bord intérieur de la face d'extrémité de la bague à lèvre (B) forme une lèvre antipoussière (8) située à l'opposé de la lèvre d'étanchéité (7).