Brevet FR2482694A1 — publié le 19811120

La présente invention concerne la construction des machines et a notamment pour objet un joint labyrinthe. Le joint labyrinthe réalisé conformément à la présente invention peut être utilisé d'une manière efficace, notamment pour la protection des paliers des organes à broche des machines-outils d'usinage des métaux par enlèvement de copeaux contre la pénétration dans ceux-ci de la poussière et de lthumidité tant durant la rotation de l'arbre que pendant son arrêt. Il est également possible d'utiliser la présente invention pour l'étanchéification des arbres rotatifs et des ensembles de paliers dans la construction des véhicules automobiles, des appareils, des avions ainsi que dans d'autres branches de la technique. Il existe un joint labyrinthe d'arbre, comportant des disques annulaires séparés par des anneaux d'écartement et disposés successivement l'un derrière l'autre, parallè-lement l'un à l'autre-et coaxialement à l'arbre. Certains des disques annulaires, ainsi qutune bague rotative, sont accouplés rigidement à l'arbre, tandis que les autres sont fixés sur une bague non rotative. La bague non rotative est installée dans le corps de l'organe porte-broche coaxialement à l'arbre. Entre la surface cylindrique extérieure de la bague et la surface intérieure du corps est disposé un élément élastique qui, en se déformant, permet le déplacement axial, c'est-à-dire le long de l'axe de l'arbre, de la bague rotative par rapport au corps fixe. Au cours de l'arrêt de la rotation de l'arbre, la bague non rotative, conjointement avec les disques et les anneaux fixés sur elle, se déplace axialement jusqu'à ce que les disques annulaires rotatifs et non rotatifs entrent en contact. Le jeu en labyrinthe entre les disques se ferme en assurant l'étanchéité du joint labyrinthe après l'arrêt de l'arbre. Lors de la mise en rotation de l'arbre, l'interaction entre les surfaces frontales des disques et le fluide crée une force hydroaérodynamique qui déplace la bague non rotative dans la direction axiale jusqu'à la formation d'un jeu en labyrinthe uniforme entre les disques rotatifs mutuellement voisins. (cf., par exemple, le certificat d'auteur NO 572622, IPC 2F 16 J 15/44, priorité du 14.11.75,pd2iê 15.09.77 dans le Bulletin des Inventions N 34, Moscou, URSS). Ce joint labyrinthe connu est insuffisamment étanche aux hautes vitesses de rotation de l'arbre, ainsi qu'au moment de la mise en rotation et de l'arrêt de l'arbre, du fait qu'aux hautes vitesses de rotation, par exemple en cas de rectification rapide, le taux de tourbillonnement du courant de fluide composé du liquide de lubrification et refroidissement, de particules abrasives, etc., s'accroSt. Les particules de fluide, en surmontant lanidstcetgtauM4pe d1joIitattenent l'organe à étanchéifier. Après l'arrêt de la rotation, une partie du fluide reste dans le joint et, au cours de la mise en rotation subséquente de l'arbre, peut pénétrer dans l'organe à étanchéifier. On s'est donc proposé de mettre au point un joint labyrinthe dont la conception assurerait une amélioration de l'étanchéité du joint tant aux hautes vitesses de rotation de l'arbre qu'au moment de la mise en rotation de l'arbre et de son arrêt. Ce problème est résolu à l'aide d'un joint labyrinthe comportant des disques annulaires disposés successivement l'un derrière l'autre parallèlement entre eux et coaxialement à l'arbre, certains desdits disques étant liés rigidement à l'arbre alors que les autres sont fixés à une bague non rotative, caractérisé, suivant l'invention, en ce que dans la bague non rotative est pratiqué au moins un canal débouchant se trouvant dans le plan intersectant l'axe de l'arbre et disposé sous un angle compris entre environ - 600 et environ + 600 par rapport au plan radial perpendiculaire à l'axe de l'arbre, et dont une extrémité débouche dans l'espace entre les disques annulaires voisins pour l'évacuation du fluide de cet espace sous l'action de la force centrifuge pendant la rotation de l'arbre. On améliore l'étanchéité du joint en pratiquant dans le corps de l'organe à étanchéifier, dans la bague non rotative et dans les pièces associées à ceux-ci, un ou plusieurs canaux qui relient l'espace entre les disques annulaires voisins à l'air libre. Il est possible de disposer les canaux tant dans un plan radial perpendiculaire à l'axe de l'arbre que (lorsque pour des considérations de construction cela est jugé nécessaire) sous un angle, par rapport au plan radial, se trouvant dans la plage de valeurs précitée. En effet, quand les canaux sont disposés dans les plans disposés sous des angles supérieurs à 609 - 700 par rapport au plan radial, il se produit des pertes d'énergie considérables qui diminuent l'efficacité du fonctionnement des canaux. Le fonctionnement le plus efficace du joint est assuré quand les canaux sont disposés dans le plan radial. Lors de la rotation de l'arbre, les particules de fluide ayant pénétré dans l'espace entre les disques annulaires du joint d'étanchéité, sous l'action de l'énergie cinétique et potentielle ainsi que des forces d'inertie, sont évacuées à l'atmosphère à travers lesdits canaux débouchants. Pour supprimer le risque de formation d'une pression réduite (relativement à la pression atmosphérique) à l'intérieur de l'organe, ainsi que pour assurer une étanchéité fiable pendant l'inversion du sens de rotation de l'arbre, il est avantageux de pratiquer dans le joint deux canaux, dont l'un est orienté dans le sens de rotation et l'autre dans le sens inverse. Dans le cas où l'arbre est disposé horizontalement, il est avantageux de pratiquer le canal sous un angle compris entre environ 20 et environ 850 par rapport à la verticale dans le sens de rotation de l'arbre. Une telle plage d'angles assure la coincidence de l'axe du canal avec la tangente à la trajectoire du mouvement des particules de fluide ayant pénétré dans l'espace entre les disques. Dans ce cas, la valeur de l'angle T d'inclinaison de l'axe du canal par rapport à la verticale est déterminée à l'aide de l'équation V u T = arc tg ; Vr où Vu est la composante circonférentielle de la vitesse du fluide; Vr est la composante radiale de la vitesse du fluide. Il ressort de l'équation donnée ci-dessus qu'aux vitesses élevées de rotation et, par conséquent, aux valeurs élevées des composantes circonférentielles de la vitesse du fluide, la valeur de l'angle t croît, et qu'au contraire, plus le rapport Vu/Vr est petit plus la valeur de-l'angle T est faible. Pratiquement, la valeur optimale de l'angle , pour les machines-outils entrant dans la catégorie des rectifieuses, est comprise sensiblement entre 70 et 85 , tandis que pour celles de la catégorie des tours, elle est d'environ 200 ou plus. Il est possible, pour des considérations de construction, de tailler les canaux de façon à ce outils soient constitués, suivant leur longueur, de parties disposées sous différents angles d'inclinaison t Il est recommandé de pratiquer, dans le disque annulaire fixé sur la bague non rotative et disposé au voisinage d'une extrémité du canal, au moins un orifice débouchant passant à travers les parois plates du disque annulaire et dont l'axe est disposé sous un angle aigu par rapport à la direction de la rotation de l'arbre. En combinant ainsi l'utilisation des canaux et d'un orifice débouchant dans le joint labyrinthe, on élargit notablement le domaine d'utilisation efficace du joint labyrinthe. Etant donné que l'angle t d'inclinaison du canal est déterminé sur la base de paramètres initiaux correspondant à la vitesse nominale de rotation de l'arbre, le régime de fonctionnement des canaux n'est pas optimal quand la vitesse de rotation de l'arbre est différente de sa valeur nominale. Par exemple, lors de la mise en rotation de l'arbre ou lors de son arrêt, le remplissage des canaux en fluide est excessif et l'étanchéité du joint diminue. L'utilisation d'un ou plusieurs canaux débouchants dans le disque annulaire non rotatif permet d'améliorer l'étanchéité du joint tant au momentde la mise en rotation de l'arbre qu'à son arrêt, car , dans ce cas, une portion notable du fluide est évacuée du joint à l'atmosphère sous l'action des forces centrifuges. Du fait que l'orifice débouchant soit exécuté sous un angle aigu par rapport à la direction de la rotation de l'arbre, la direction du mouvement du courant de fluide arrivant à l'orifice change. A la suite de la diminution des composantes tangentielle et radiale des vitesses, le courant acquiert une composante de vitesse axiale et est évacué du joint à l'air libre. La rotation du disque annulaire extrême crée avec l'orifice débouchant un effet d'éjection qui contribue davantage à l'évacuation. En plus, la quantité supplémentaire de fluide peut être évacuée du joint à travers l'orifice débouchant ainsi que par les canaux'par gravité. Dans le but d'augmenter l'efficacité de l'étanchéibs il est possible, dans certains cas, de réaliser un orifice débouchant non seulement dans le disque annulaire non rotatif, mais aussi dans les pièces qui lui sont associées. L'absence, à la vitesse de rotation nominale, d'un contact direct entre les disques annulaires rotatifs et non rotatifs permet de réduire à un minimum le dégagement de la chaleur dans le joint. En combinant un choix correct de l'angle d'inclinaison des canaux avec une configuration appropriée de l'orifice débouchant, on peut obtenir un joint hautement étanche et capable de fonctionner dans toute la plage de vitesses de rotation requise, avec un dégagement de chaleur relativement faible et une usure minimale même dans des milieux constitués par des émulsions contenant des particules abrasives et fortement encrassées. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs , avec références aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels - la figure 1 représente schématiquement un joint labyrinthe d'arbre réalisé selon la présente invention (en coupe longitudinale); - la figure 2 est une vue en coupe partielle suivant Il-Il de la figure 1; - la figure 3 est une vue en coupe partielle suivant III-III de la figure 1;; - la figure 4 est une vue en coupe partielle suivant IV-IV de la figure 1 du joint labyrinthe suivant un mode de réalisation de l'invention dans lequel l'orifice débouchant passe aussi à travers la bague non rotative, l'un des anneaux d'écartement et l'anneau élastique. Le joint labyrinthe exécuté selon la présente invention est monté sur un arbre 1 (figure 1) et comporte des disques annulaires 2 liés rigidement à l'arbre 1, et d'autres disques annulaires 3 fixés sur la bague non rotative 6. Les disques 2 et les disques 3 sont disposés successivement l'un après l'autre, parallèlement l'un à l'autre et axialement à l'arbre 1. Sur l'arbre 1 est montée une bague 4 disposée coaxialement à l'arbre 1 et immobilisée sur l'arbre 1 d'une manière quelconque connue en soi. Les disques 2 et les bagues 5 sont disposés successivement sur l'arbre et coaxialement à celui-ci, les bagues 5 servant à maintenir les disques 2 à une distance déterminée l'un de l'autre Le joint comporte une bague non rotative 6 montée coaxialement à l'arbre 1 et à la surface intérieure du corps 7 de l'organe à étanchéifier (non représenté), par exemple d'un palier de machine-outil. Entre la surface cylindrique extérieure de la bague 6 et la surface intérieure cylindrique du corps 7 est formé un jeu (non repré senté).Dans la bague 6 sont montés successivement les disques 3 et des bagues 8 disposées coaxialement à l'arbre 1 et servant à maintenir les disques 3 à une certaine distance l'un de l'autre. Les disques 2 et les bagues 5 sont liés rigidement à la bague 4 à l'aide de rivets 9 dont les axes géométriques longitudinaux sont parallèles à l'axe 0-0 de l'arbre 1 et coïncident avec la surface cylindrique extérieure de la bague 4. D'une manière analogue, les disques 3 et les anneaux 8 sont liés rigidement à la bague 6 par des rivets 10 dont les axes géométriques longitudinaux sont eux aussi parallèles à l'arbre 1 et qui sont disposés sur la surface cylindrique intérieure de la bague 6. Selon la variante de réalisation décrite ici à titre d'exemple, on a prévu quatre rivets 9 et quatre rivets 10, disposés d'une manière régulière suivant une circonférence. il est également possible de fixer les disques 2 et les anneaux 5 à la bague 4, ainsi que les disques 3 et les anneaux 8 à la bague 6, par collage, vis, montage avec serrage, à l'aide d'aimants et d'autres procédés de fixation connus qui ne seront pas décrits ici. La surface cylindrique extérieure de la bague 6 et la surface cylindrique intérieure du corps 7 sont étanchéifiées à l'aide d'un anneau élastique 11 logé dans une gorge pratiquée sur la surface cylindrique extérieure de la bague 6. Sur la surface cylindrique extérieure de la bague 6, est pratiquée aussi une rainure 12. La vis 13 montée radialement dans le corps 7 et s'engageant dans la rainure 12 immobilise la bague 6 en empêchant sa rotation dans la direction circonférentielle. Les surfaces frontales de la bague 6, autrement dit, les surfaces perpendiculaires à l'axe 0-0 de l'arbre 1, sont étanchéifiées par les anneaux élastiques 14 et 15. L'anneau 14 protège la surface cylindrique extérieure de la bague 6 et la surface cylindrique intérieure du corps 7 contre l'encrassement par les particules du fluide. L'anneau 14 est fixé, au voisinage de sa surface extérieure, au corps 7, et au voisinage de sa surface intérieure, à la bague 6, selon un procédé connu quelconque. L'anneau 15 sert à créer un déplacement axial préalable (déplacement de positionnement) de la bague 6 jusqu'à ce que les surfaces frontales des disques 2 et 3 viennent en contact. Selon une variante de réalisation de l'invention, il est possible de ne pas utiliser des anneaux 14 et 15. Selon la présente invention, on a pratiqué dans la- bague non rotative 6 un canal débouchant 16 (figure 2) se trouvant dans un plan intersectant i'axe 0-0 de l'arbre 1 et disposé sous un angle compris dans la plagie d'environ - 600 à environ + 600 par rapport au plan radial perpendiculaire à l'axe 0-0 de l'arbre 1. Dans le cas considléré, cet angle constitue 0 c'est-à-dire que ledit plan coincide avec un plan radial perpendiculaire à i'axe 0-0 de l'arbre 1. A l'une de ses extrémités le canal 16 débouche dans l'espace entre les disques 2 et 3 voisins et est destiné à évacuer le fluide de cet espace sous l'action des forces centrifuges pendant la rotation de l'arbre 1. Le canal débouchant 16 passe aussi à travers l'anneau 8, l'anneau élastique 11 et le corps 7. Si l'arbre 1 est disposé horizontalement (comme représenté sur les figures 1 à 3), suivant l'invention le canal 16 fait un angle ff d'environ 20 R 850 avec la verticale dans le sens de rotation de l'arbre 1 indiqué par la flèche A (figures 2 et 3). Dans le cas considéré, l'angle '$est de 800. Pour assurer l'étanchéification de l'organe à étanchéifier pendant l'inversion de la rotation de l'arbre 1, ainsi que pour supprimer la formation d'une basse pression (relativement à celle atmosphérique) à l'intérieur de l'organe à étanchéifier, dans la bague 6 ainsi que dans le corps 7 et l'anneau 8 on a pratiqué un canal 17 se trouvant dans le même plan radial que le canal 16 et disposé symétriquement au canal 16 par rapport au plan vertical passant par l'axe 0-0 de l'arbre 1. La pression réduite à l'intérieur de l'organe à étanchéfier peut se créer à la suite de l'éjection de l'air à travers le canal 16 en même temps que les particules de fluide. Dans ce cas, le canal 17 égalise la pression dans l'organe à étanchéifier en le rapprochant de la pression atmosphérique, ce qui exclut l'aspiration du fluide des disques 2 et 3 lors de la rotation de l'arbre 1 à des vitesses élevées. Suivant l'invention, dans le disque 3 fixé sur la bague non rotative 6 et disposé au voisinage du canal 16, est réalisé au moins un orifice débouchant 18 (figures 1 et 3 ) qui traverse les parois plates du disque 3 et dont l'axe fait un angle aigu avec la direction de la rotation de l'arbre 1. Dans le cas considéré, cet angle est de 450. L'orifice débouchant 18 est destiné à évacuer le fluide de l'espace entre les disques rotatifs 2 et non rotatifs 3 (figure 1) aux basses et moyennes vitesses de rotation de l'arbre 1. Pour augmenter l'efficacité de fonctionnement, on peut réaliser l'orifice 18 de manière qu'il traverse aussi la bague 6 et l'anneau 8, comme montré sur la figure 4. Le joint labyrinthe réalisé conformément à la présente invention fonctionne de la manière suivante. A la mise en marche de la machine-outil, l'arbre 1 se met à tourner conjointement avec la bague 4, les disques annulaires 2 et les anneaux 5. La portance hydroaérodynamique engendrée à ce moment sur les surfaces frontales des disques 2 et 3 agit sur les disques non rotatifs 3 et déplace ceux-ci et la bague non rotative 6 par rapport au corps 7 dans la direction axiale jusqu'à la formation d'un jeu frontal uniforme entre les disques rotatifs 2 et les disques non rotatifs 3. Ce processus s'effectue en surmontant la résistance des anneaux élastiques 11, 14 et 15. Pendant la rotation de l'arbre 1, l'air et les particules de fluide ayant pénétré dans l'espace entre les disques rotatifs 2 et non rotatifs 3 sont mis en rotation à une certaine vitesse angulaire dans le sens de rotation des disques 2. La force centrifuge qui est engendrée alors rejette les partIcules de fluide vers la périphérie des disques 2. Ainsi, la majeure-partie de la masse du fluide ayant pénétré dans l'espace entre les disques rotatifs 2 et non rotatifs 3 est évacuée à l'atmosphère par le disque 3 se trouvant à l'extrême gauche (d'après la figure 1) et par la face en bout 19 de la bague 4. Cependant, une partie du fluide peut pénétrer à l'intérieur du joint labyrinthe, autrement dit, dans espace entre la paire suivante (d'après la figure 1) de disques 3 et 2. Dans ce cas, sous l'action de l'énergie cinétique et potentielle (action de la pression cinétique et de la pression excédentaire du fluide) ainsi que des forces d'inertie , les particules de fluide sont rejetées à l'air libre principalement par le canal 16 et partiellement à travers l'orifice débouchant 18 du disque non rotatif 3. Le canal 17 sert à égaliser la pression dans l'organe à étanchéifier, grâce à l'aspiration de l'air à travers celui-ci dans le joint labyrinthe, ainsi qu'à assurer le fonctionnement du joint lors de l'inversion de la rotation. Lors de l'arrêt progressif de la rotation (du ralentissement de la rotation de l'arbre 1), la partie du fluide évacué par l'orifice débouchant 18 augmente du fait que le débit à travers orifice débouchant 16 croit (avec le ralentissement de la rotation de l'arbre 1). Après l'arrêt total de l'arbre 4, la portance hydroaérodynamique sur les faces en bout des disques 2 et 3 est nulle. Alors, l'anneau élastique 15 déplace la bague 6 par rapport au corps 7 dans la direction axiale jusqu'à ce que les parois plates des disques 2 entrent en contact avec les disques non rotatifs 3. Les particules de fluide demeurées dans les espaces entre les disques 2 t 3 sont évacuées du joint par gravité à travers les canaux 16 et 17 et l'orifice débouchant 18. il en ressort que le joint labyrinthe fonctionne comme un joint hydrodynamique sans contact pendant la rotation et comme un joint à contact à l'arrêt, ce qui assure un joint d'une haute étanchéité tant pendant l'arrêt de l'arbre que pendant sa rotation dans la plage de vitesses voulue, tout en réduisant à un minimum le dégagement de chaleur. Ceci donne la possibilité, dans certains cas, de ne pas avoir recours au graissage des paliers des organes par brouillard dthuile et d'effectuer le graissage des paliers par uneWgraisse consistante. il était impossible,jusqu'ici, de changer ainsi le système de graissage, car les joints d'étanchéité connus utilisés actuellement sur une large échelle ne peuvent -pratiquement pas assurer en même temps une étanchéité suffisante, un dégagement de chaleur relativement faible ainsi qu'une usure minimale, une haute rapidité, une bonne capacité de travail dans un milieu d'émulsion fortement encrassée par des particules abrasives, et un prix de revient assez bas du joint. Le remplacement du graissage des ensembles à paliers par brouillard d'huile par leur graissage à la graisse consistante assure des avantages importants En premier lieu, il est plus avantageux d'utiliser de la graisse consistante, car le graissage par brouillard d'huile nécessite un équipement très coûteux (pompes, compresseurs, filtres, décanteurs, etc.). En deuxième lieu, et c'est là le plus important, la graisse consistante ne pollue pas l'air des ateliers par des vapeurs d'huile nuisibles à la santé du personnel, à la différence du procédé de graissage par brouillard d'huile, au cours duquel les vapeurs d'huile s'échappent de l'ensemble à palier et pénètrent dans l'atmosphère de l'atelier. Les essais en laboratoire et à l'échelle industrielle du joint labyrinthe réalisé conformément à la présente invention, ont confirmé la haute efficacité du joint d'étanchéité. Les ensembles- à paliers équipés du joint labyrinthe conforme à l'invention sont caractérisés par une parfaite étanchéité et, par conséquent, par une plus grande durée de vie des paliers, ce qui se traduit par un effet économique sensible grace à l'augmentation de la période entre les réparations de la machine-outil, à la diminution des frais de réparation, d'entretien, etc. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre de la protection comme revendiquée. REVENDICATIONS 1.- Joint labyrinthe pour arbre, du type comportant des disques annulaires disposés successivement l'un après l'autre parallèlement entre eux et axialement à l'arbre, certains desdits disques étant liés rigidement à l'arbre et les autres étant fixés à une bague non rotative, caractérisé en ce que dans la bague non rotative est ménagé au moins un canal débouchant se trouvant dans un plan intersectant l'axe de l'arbre et disposé sous un angle dont la valeur est comprise dans une plage d'environ - 600 à environ + 600 par rapport à un plan radial perpendiculaire à l'axe de l'arbre, et dont une extrémité débouche dans l'espace entre les disques annulaires voisins de façon à assurer l'évacuation du fluide de cet espace sous l'action des forces centrifuges pendant la rotation de l'arbre 2.- Joint labyrinthe conforme à la revendication 1, pour un arbre disposé horizontalement, caractérisé en ce que le canal est disposé sous un angle d'environ 20 à environ 850 par rapport à la verticale dans le sens de rotation de l'arbre. 3.- Joint labyrinthe conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'on a pratiqué dans le disque annulaire fixé sur la bague non rotative et disposé au voisinage d'une extrémité du canal au moins un orifice débouchant qui traverse les parois plates de ce disque annulaire et dont l'axe est disposé sous un angle aigu par rapport au plan de rotation de l'arbre.