Brevet FR2468802A1 — publié le 19810508

Joint d'étanchéité à surfaces d'étanchéité lubrifiées. L'invention concerne des dispositifs d'étanchéité utilisés pour empocher la fuite de fluide entre des pièces de machine mobiles l'une par rapport à l'autre. Les dispositifs d'étanchéité habituellement employés pour prevenir la fuite de fluide entre des pièces de machine mobiles l'une par rapport à l'autre sont limités quant à leurs caractéristiques et présentent des inconvénients fonctionnels. Le joint à lèvre en élastomère de type radial utilise une aire de contact extremement étroite sur la lèvre et un montage serré autour d'un arbre pour assurer l'étanchéité. La pression que le fluide exerce sur le joint augmente encore le serrage du joint. Les charges élevées représentées par les pressions élevées par unité de surface aux surfaces d'étanchéité empechentlaformationd'un film lubrifiant. Les pressions du fluide et les vitesses de glissement sont fortement limitées du fait que le frottement de glissement provoque la destruction rapide des surfaces d'étanchéité. Les joints mécaniques à face plane possèdent des aires d'étanchéité relativement grandes qui assurent une bonne étanchéité. Cependant, la combinaison de la face plane et de la grande aire d'étanchéité empêche le fluide étanché de pénétrer entre les surfaces d'étanchéité pour y former un film lubrifiant convenant à des pressions étanchées et vitesses de glissement élevées. Le frottement de glissement produit par ces conditions de fonctionnement détruirait les surfaces d'étanchéité par usure et surchauffage. Les fluides étanchés de faible viscosité tels que l'eau sont particulièrement nuisibles à la fois aux joints radiaux à levre et aux joints axiaux à face plane. Des dispositifs d'étanchéité à labyrinthe à parcours ouvert et des dispositifs d'étanchéité pressurisés de l'extérieur sont utilisés lorsque les conditions de travail dépassent les possibilités des joints à surface de glissement à parcours fermé. Ces joints sont cependant limités également dans leurs caractéristiques et présentent aussi des inconvénients. Le joint à labyrinthe doit être très long s'il doit travailler sous une pression relativement élevée et il est limite à des applications ou une fuite continue est acceptable et où un dispositif pour recueillir et évacuer le fluide de fuite peut être prévu ou est disponible. Le dispositif d'étanchéité pressurisé de l'extérieur bloque la fuite de fluide par l'admission d'un fluide pressurisé par une source extérieure dans le parcours de fuite. Le fluide pressurisé s'échappe à la fois vers l'intérieur et vers l'extérieur.Ce fluide doit être compatible avec le fluide du système et un dispositif doit entre prévu pour évacuer le fluide qui s'échappe à l'extérieur. La nécessité d'une source de pression extérieure et sa consommation d'énergie sont bien entendu des inconvénients. Ii existe donc un besoin pour un joint d'étanchéité à parcours fermé qui soit capable de travailler dans un domaine illimité de pressions étanchées, de vitesses et de viscosité du fluide étanché. L'invention vise à apporter un tel joint. Un dispositif d'étanchéité selon l'invention, destiné à empêcher la fuite de fluide entre deux parties de machine mobiles l'une par rapport à l'autre, comprend une surface d'étanchéité élastique (en élastomère) de construction spéciale qui est attachée à l'une des parties de machine et qui glisse sur une surface d'étanchéité rigide attachée à l'autre partie de machine dans le but de bloquer le parcours de fuite.La particularité de la construction de la surface d'étanchéité en élastomère est l'incorporation en elle, sous la surface de glissement et parallèlement à elle, d'une série d'éléments relativement rigides qui se suivent et qui ont été conformés spécialement en vue de la limitation locale désirée de la déformation de la surface en élastomère lorsqu'elle est exposée à la pression étanchée (à la pression du fluide étanché) et aux forces de frottement dans la région de l'aire de contact de glissement, de manière à former un film lubrifiant pressurisé hydrodynamiquement entre les surfaces de glissement et à réduire la pression aux surfaces d'étanchéité à une valeur nettement inférieure à ia pression étanchée. Un joint selon l'invention comprend un anneau relativement épais en élastomère qui est relié à un élément de support rigide attaché à la machine de manière que la surface d'étanchéité formée par l'élastomère soit alignée avec la surface d'étanchéité rigide antagoniste qui est supportée de façon analogue par la ma chine. Les éléments rigides façonnés formant ladite série sont noyés dans l'élastomère de l'anneau entre sa surface d'étanchéité et l'élément de support de celui-ci. Les surfaces des éléments façonnés étant liées a l'élastomère, il n'existe pas de parcours de fuite autour des éléments. La forme des éléments rigides noyés dans l'élastomère est comme suit. La surface des éléments tournée vers la surface d'étanchéité et de glissement de l'élastomère (face frontale) est parallèle à cette surface d'étanchéité. La surface des éléments opposée à la surface d'étanchéité en élastomère (face arrière des éléments) est sphérique ou possède une courbure composite, le centre de courbure étant situé du côté de la surface d'étanchéité. Les côtés des éléments sont normalement droits (bien qu'ils puissent être courbes), formant un carré ou un rectangle. La surface de l'élément de support tournée vers les surfaces courbes des élé- ments façonnés possède une courbure analogue et est séparée de ces surfaces par une mince couche de matériau élastiquement déformable. Une variante de réalisation utilise des couches alternantes extrEmement minces d'élastomère et d'un matériau relativement rigide (métal), dont le but sera expliqué dans ce qui va suivre, entre lesdites surfaces. Un dispositif d'étanchéité ou joint selon l'invention peut etre réalisé sous forme d'un joint du type radial présentant une surface d'étanchéité annulaire ou alors sous forme d'un joint de type axial présentant une surface d'étanchéité plane. Grâce à la réalisation particulière de la surface d'étanchéité en élastomère, comme décrit plus en détail dans ce qui va suivre, un film lubrifiant virtuellement indestructible est formé entre les surfaces d'étanchéité antagonistes et l'étanchéité est maintenue optimale. Le joint peut de ce fait travailler dans un domaine illimité de pressions étanchées, de vitesses et de viscosité du fluide étanché et ce avec une durabilité accrue. L'invention apporte un progrès considérable par rapport aux dispositifs d'étanchéité de l'art. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexés, sur iesquels la figure 1 est une coupe axiale d'une forme de réalisation actuellement préférée d'un joint radial selon l'invention la figure 1A est une coupe axiale partielle à plus grande échelle d'une variante de réalisation du joint radial de la figure 1 ; la figure 2 est une coupe radiale partielle prise suivant la ligne 2-2 de la figure 1 ;; la figure 3 est un détail à plus grande échelle de la figure 1, montrant la façon dont le joint répond à la pression du fluide étanché la figure 4 est un-détail à plus grande échelle de la figure 2, montrant la façon dont le joint répond aux forces issues du frottement de glissement sur les surfaces d'étanchéité ; et la figure 5 est une coupe axiale d'un joint selon l'invention de type axial. Les figures 1 et 2 représentent un joint selon l'invention de type radial qui est désigné dans son ensemble par 10 et est supporté par un carter de machine 14 de manière à être appli qué de façon étanche contre un arbre tournant 12, la surface d'étanchéité 24 de l'arbre glissant sur la surface d'étanchéité 26 en élasto bve du joint 10. Les figures 1 et 2 représentent le joint 10 au repos, c'est-à-dire pendant que l'arbre est à l'arrêt et en l'absence di pression de fluide. Le joint 10 comprend une pièce relativement épaisse d'un seul tenant en élastomère sous forme d'un anneau 16, dans lequel Sont noyés des éléments façonnés rigides 18 qui se trouvent entre la surface d'étanchéité en élastomère 26 et un élément de support 20 pour l'anneau 16 et qui sont espacés circonférentielle- ment (voir la figure 2) dans l'anneau 16 en élastomère dans le sens du mouvement relatif entre l'arbre 12 et le carter 14. La surface 36 des éléments 18 faisant face à la surface d'étanchéité en élastomère 26 est parallèle à cette surface.Les surfaces 38 des éléments façonnés dirigées vers l'élément de support 20 ont une courbure sphérique convexe (elles peuvent également avoir une courbure composite avec différents centres de courbure dans des plans orthogonaux), les centres de courbure 22 des différents éléments 18 étant situés du cté de la surface d'étanchéité 26 (du meme cOté de l'anneau 16 que l'arbre 12), de préférence entre l'axe géométrique de l'arbre 12 et la surface d'étanchéité 24.La surface 40que présente l'anneau de support 20 en regard de la surface sphérique 38 des éléments noyés 18 possède une forme sphérique concave qui est concentrique à la surface sphérique convexe 38 correspondante de l'élément 18 se trouvant en face, les surfaces 38 et 40 étant séparées par une mince section de matériau élastiquement déformable 32 qui fait partie du (c'est-à-dire qui fait corps avec le) joint en élastomère 16. La figure 1A représente pour cette mince section une variante de réalisation comprenant deux ou davantage de sections ou voiles 28 plus minces qui sont mutuellement espacés et reliés entre eux par des lamelles rigides 30. L'élastomère de l'anneau 16 s'étend entre les éléments noyés 18 et forme un joint robuste avec eux.Toutes les surfaces des éléments rigides 20, 18 et 30 en contact avec l'élastomère de l'anneau 16 sont liées à l'élastomère. Le fonctionnement du joint selon l'invention des figures 1 et 2 est représenté sur les figures 3 et 4. Ce fonctionnement eat basé sur les propriétés physiques naturelles de matériaux élastiques tels que les élastomères et sur la variation locale de la déforgation de ce matériau par l'incorporation d'éléments rigides. Comae la plupart des matériaux de construction, les élastomères sont pratiquement incompressibles mais ils sont déformables à la façon de ressorts (le module d'élasticité d'élastomères est effectivement comparable à celui d'un ressort).Les élastomères ont la pirticularité que la résistance globale à la compression est beauçoup plus grande que la résistance globale au cisaillement et que, pour les petites déformations, la résistance au cisaillement est indEpendante de la compression. Le rapport entre la résistance à La compression et la résistance au cisaillement peut en outre être accru en conformant l'élastomère de manière que l'aire de renflement soit petite par rapport à l'aire d'application de la charge de CompreBsion. Pendant le fonctionnement d'un joint selon l'invention, l'élastomère est uniquement déformé par cisaillement et comme la déformation par cisaillement est très petite (comme décrit däns ce qui va suivre), les forces issues de la résistance au cisaillement. et s'opposant à la déformation pendant le fonctionnement peuvent 8tre ignorées. Pour ce qui concerne la variation locale selon les besoins de la déformation élastique, conformément à l'invention, on voit sur les figures 1 et 2 que l'aire de renflement ou de déformation de la mince section en élastomère 32 supportant les éléments 18 est petite par rapport à l'aire à courbure sphérique.Par conséquent, les éléments noyés 18 sont empochés de se déplacer dans le sens radial (c'est-à-dire dans le sens de la compression) mais peuvent se déplacer facilement dans le sens de cisaillement de l'élastomère, c'est-à-dire par un mouvement de rotation autour du centre de courbure sphérique 22 correspondant. Les figures 3 et 4 représentent de façon tres exagérée, pour des raisons de clarté, les intervalles 42 et 34 formés par le déplacement des éléments noyés 18. Ces intervalles correspondent au film lubrifiant formé entre les surfaces d'étanchéité. Les films lubrifiants formés entre les surfaces glissant l'une sur l'autre sont en fait imperceptibles étant donné que leur épaisseur est inférieure à 25 microns dans le cas de fluides visqueux tels que des huiles et inférieure à 2,5 microns dans le cas de fluides de faible viscosité tels que l'eau. La déformation de l'élastomère pour former ces intervalles est également imperceptible, de sorte que les efforts de cisaillement de l'élastomère résistant à la formation des intervalles peuvent entre négligés. I1 est utile ici de rappeler la nature et le portement d'un film lubrifiant entre des surfaces glissant l'une sur l'autre. Un film lubrifiant n'a pas besoin d'8tre plus épais qu'un film limite (de graissage) pour emp8cher le contact mutuel des surfaces sous une faible charge. Quelques gouttes de lubrifiant suffissent pour former un film limite et la fuite d'un fluide entre deux surfaces coulissant l'une sur l'autre avec un graissage limite est négligeable, Toutefois, quand la vitesse de coulissement est élevée, la chaleur produite par le cisaillement visqueux risque de rompre le film lubrifiant et d'entrafner la destruction des surfaces. La façon la plus simple d'empêcher le surchauffage est d'arroser les surfaces de glissement avec un lubrifiant froid, mais cela entraîne une forte fuite entre les surfaces d'étanchéité. Il est en outre difficile d'introduire le fluide de lubrification et de refroidissement entre les surfaces lorsque celles-ci sont sous de fortes charges. La figure 3 montre comment la pression étanchée favorise à la fois l'étanchéité et l'admission d'une faible quantité de fluide étanché à des rins de graissage entre les surfaces d'étanchéité.Le couple cPl produit par la pression étanchée (la pression du volume de fluide étanché) fait osciller (tourner autour de son centre de courbure 22) l'élément noyé façonné 18 de manière à soulever le bord intérieur de la surface d'étanchéité, ce qui permet l'entrée du fluide étanché entre les surfaces d'étanchéité, et de presser en meme temps avec plus de force le bord extérieur sur la surface d'étanchéité antagoniste pour assurer l'étanchéité. Le profil de la pression du fluide dans l'intervalle 42 (représenté de façon exagdrée sur la figure 3 pour des raisons de clarté) est fonction de la pression étanchée et de la géométrie de l'intervalle. Des couples de pression aP2 à l'intérieur de l'intervalle contribuent au mouvement de rotation de l'élément 18. Des couples de pression bP3 et les couples des forces aux surfaces d'étanchéité s'opposent au contraire à ce mouvement. L'élément 18 se stabilise en une posai tion d'étancbéité où les différents couples sont en équilibre. La compression de la surface d'élastomère dans la région du bord extérieur et l'aire d'étanchéité entre les surfaces d'étanchéité (aire de contact entre l'élastomère et l'arbre) augmentent toutes deux à mesure que les pressions d'étanchéité stélavent, ce qui fait croître l'étanchéité et décrotte la charge par pression dans l'aire d'étanchéité, Ce procédé de "équilibrage de pression" selon l'invention est unique. La figure 4 montre comment le frottement de glissement sur les surfaces d'étanchéité produit la formation d'un film lubrifiant adéquat entre les surfaces d'étanchéité lorsque la pression étanchée et la vitesse de rotation sont élevées. L'effet d'entraînement produit par les forces de frottement déplace la surface d'étanchéité en élastomère 26 en direction du mouvement, ce qui oblige les éléments noyés de tourner autour de leurs centres de courbure 22 respectifs et de transformer ainsi la surface d'étanchéité 26 d'une surface cylindrique lisse en une surface cylindrique ondulée, les creux des ondes se trouvant dans la région du bord avant de chaque élément noyé 18 (dans le sens de rotation de l'arbre), ce qui entraîne la formation d'un film lubrifiant constitué d'une série d'éléments cunéiformes 46 qui se suivent et qui convergent dans la direction du mouvement relatif de la surface d'étanchéité 24 adjacente, L'action hydrodynamique pressurise le film lubrifiant et maintient celui-ci lorsque la pression étanchée est élevée, la rotation faisant circuler le lubrifiant et contribuant ainsi au refroidissement. La déformation composite de la surface d'étanchéité 26 sous l'action des pressions étanchées et des forces de frottement produit un graissage par le fluide sur le bord intérieur de la surface d'étanchéité (sur le bord situé du cté de la source de pression), le film de graissage diminuant à peu près coniquement jusqu'à devenir un film limite dans la région du bord extérieur de la surface d'étanchéité. Les fuites restent ainsi négligeables.Le mouvement de la surface d'étanchéité 24 de l'arbre peut être un mouvement rotatif et axial combiné sans que cela diminue pour autant l'efficacité de l'étanchéité, ce qui est une particularité unique d'un joint selon l'invention. La disposition des surfaces d'étanchéité peut également hêtre intervertie : la surface d'étanchéité en élastomère peut hêtre solidarisée de l'arbre et la surface d'étanchéité rigide peut être disposée fixe sur le carter de machine. Les éléments cunéiformes 46 du film lubrifiant sont représentés de façon exagérée sur la figure 4 pour plus de clarté. Un joint selon l'invention peut également etre réalisé sous forme d'un joint axial à surfaces d'étanchéité planes. La figure 5 représente un exemple d'un tel joint. Le principe du fonctionnement de ce joint ne sera pas expliqué en détail car il est identique à celui du joint radial de l'invention, décrit relativement aux figures 3 et 4, sauf que le film lubrifiant est formé dans ce cas entre des surfaces d'étanchéité planes et non pas entre des surfaces d'étanchéité cylindriques. Dans le cas de la figure 5, le surface d'étanchéité en élastomère 26 est située dans un seul plan (radial par rapport à l'arbre) et est normalement pressée par un ressort 52 contre la surface d'étanchéité coopérante prévue sur un élément antagoniste 50 qui est fixé sur le carter 14 de la machine. Le joint 10 de cet exemple peut tourner ou ne pas tourner avec l'arbre 54 et peut être monté coulissant ou non le long de l'arbre 54. L'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites et l'homme de l'art pourra y apporter diverses modi fications, sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Joint d'étanchéité destiné à empêcher la fuite de fluide entre deux parties de machine (12,14) mobiles l'une par rapport à l'autre, comprenant un corps de joint continu en élas- tomère (16) attaché de façon étanche à l'une des parties de machine (14), le corps de joint (16) présentant une surface d'étanchéité continue (26) en élastomère destinée å coulisser sur une surface d'étanchéité continue (24) prévue sur l'autre partie de machine (12), caractérisé en ce que plusieurs éléments façonnés rigides (18) sont noyés dans le corps en élastomère (16), sous la surface d'étanchéité en élastomère (26), dans une disposition où les éléments noyés se suivent à faible distance dans le. sens du mouvement relatif entre les parties de machine (12,14) et en ce que le corps de joint en élastomère (16) est supporté par un élément de support (20) présentant des surfaces de support (40) individuelles situées chacune directement derrière chacun des éléments façonnés rigides (18), chacun des éléments rigides présentant une face arrière (38), chaque surface de support (40) et une face arrière (38) adjacente d'un élément rigide (18) formant une paire de surfaces et les surfaces de chaque paire étant courbées autour d'un centre commun (22) ou autour de centres de courbure sphérique situés sur un rayon s'étendant vers l'autre partie de -machine. 2. Joint selon la revendication l, caractérisé en ce qu'une mince couche de matériau (32) élastiquement déformable et pratiquement incompressible est située entre les deux surfaces de chaque paire, ce matériau faisant partie du corps de joint (16) et établissant une liaison sensiblement rigide entre les deux surfaces (38,40) de chaque paire dans une direction correspondant au rayon de ladite paire, dans le sens de la compression, tout en établissant une liaison élastique entre les surfaces de chaque paire dans des directions parallèles aux surfaces (38,40) de cette paire. 3. Joint selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau élastiquement déformable (32) comprend de minces couches alternantes d'élastomère (28) et de matériau relativement rigide (30) qui sont reliées entre elles et s'étendent parallèle ment aux paires de surfaces (38,40), une couche d'élastomère (28) étant adjacente à chaque surface de support (40) et à chaque face arrière (38) et étant reliée à elle. 4. Joint selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque élément façonné rigide (18) possède une épaisseur, entre sa face avant et sa face arrière, qui est plus grande que l'épaisseur du matériau élastiquement déformable (32,28) se trouvant entre les deux surfaces de chaque paire et en ce que la partie du corps de joint (16) qui porte la surface d'étanchéité (26) est située entre entre les dlémenta façonnés rigides (18) et la surface d'étanchéité rigide opposée (24). 5. Joint selon la revendication 1 ou 4, caractérisé en ce que la face arrière (38) de chaque élément rigide (18) est courbée autour de deux centres de courbure dans des plans orthogonaux, de maniere à former des paires de surfaces de courbure composite entre chaque élément rigide et sa surface de support. 6. Joint selon la revendication 5, caractérisé en ce que la surface d'étanchéité en élastomère (26) possède une forme annulaire. 7. Joint selon la revendication 5, caractérisé en ce que la surface d'étanchéité en élastomère (26) est située dans un seul plan.