Brevet FR2502724A1 — publié le 19821001

La présente invention concerne un joint d'étanchéité annulaire, et en particulier un joint annulaire radial pour arbre de machine, un joint annulaire glissant ou un joint pour tige-de soupape, à zone statique et zone dynamique d'étanchéité, dont la zone statique, formant zone d'ajustement serré, est constituée par une matière élastomère S'appliquant à la face d'appui correspon- dante d'un élément porteur et par une bague de renfor- cement cylindrique disposée dans la zone de la surface périphérique de ladite zone d'ajustement serré opposée à ladite face d'appui et pourvue d'évidements vus dans le sens périphérique. Ces joints annulaires sont des pièces de haute préci- sion destinés à s'introduire dans, ou à s'emmancher sur, des éléments de même qualité. Ces bagues d'étan- chéité, et en particulier les joints d'étanchéité pour tiges de soupape sont en général capables de couvrir, sans endommagement, des tolérances d'ajustement serré de 0,2 mm (représentant la différence entre le diamè- tre minimal du guide de soupape et la tolérance maxi- male du diamètre d'ajustement interne). Mais le mon- tage oblige le plus souvent à compenser de plus gran- des tolérances allant jusqu'à 0,8 mm, ce qui était impossible jusqu'ici du fait de la réaction élastique trop forte de la matière élastomère, des efforts trop grands exercés au cours du montage, et d'une adhérence trop faible. Le Modèle d'Utilité allemand N2 6.933.319 décrit déjà un joint annulaire pour l'étanchéisation des entrefers entre une tige de soupape et son guide de soupape, composé d'une bague de renforcement métallique, d'une lèvre d'étanchéité dynamique jointe à ladite bague, et d'une couche élastomère fixée par vulcanisation à la face périphérique interne de ladite bague et consti- tuant l'assiette ou zone d'ajustement serré. La bague de renforcement comporte, en direction axiale ou incli- née sur l'axe, une ou plusieurs fentes ouvertes en di- rection axiale et remplies de matière élastomère. Une telle disposition permet évidemment en premier lieu un épanouissement radial assez grand de la bague de renforcement dans la zone périphérique pourvue de fentes, mais pas dans la zone périphérique pleine qui s'y rattache. Toutefois, un tel joint annulaire ne permet pas d'effectuer la compensation des tolérances pour les raisons suivantes s En règle générale, les joints d'étanchéité pour tiges de soupape sont enfoncés axialement au moyen d'un outil en provoquant une rétraction de la matière élastomère de l'assiette. Plus la toléranoe à couvrir est grande, plus la matière élastomère devra se rétracter. Les fentes axiales unilatéralement ouvertes ne le permet- tent que d'une façon très limitée, car seule la matière élastomère se trouvant au voisinage immédiat de ces fentes peut se dilater dans ces dernières par renfle- ment de la matière se trouvant dans les fentes. Le reste de cette matière, qui en constitue la fraction la plus importante, se trouve refoulé par le guide de soupape 'en direction de la lèvre d'étanchéité et s'ac- cumule dans l'enceinte délimitée par l'aile angulaire radiale, dirigée vers l'intérieur, de la bague de ren- forcement. Dans certains cas défavorables, il peut arriver que, du fait de l'accumulation essentiellement axiale de la matière élastomère, l'énergie accumulée dans celle-ci repousse le joint de tige de soupape et l'éloigne du guide de soupape après retrait de l'outil de montage. Dans des cas moins défavorables, le joint de tige de soupape ne reviendra que faiblement, par é- lasticité, donc ne s'appuiera pas parfaitement au guide de soupape et pourra, à la longue, glisser hors du guide sous l'action des mouvements oscillants de la tige de soupape. Des effets semblables, bien que moins graves, peuvent apparaître dans la zone de l'assiette des joints radiaux pour arbres de machine ou des joints annulaires glissants, o il peut arriver qu'on ait à couvrir des tolérances qui, contrairement à celles des joints d'étanchéité pour tiges de soupape, iront en diminuant et non en augmentant du fait que les joints mis en oeuvre sont introduits dans des logements alé- sés et non emmanchés sur des guidages. La différence aggravante entre ces divers joints réside dans le fait qu'avec les joints radiaux pour arbres et les joints glissantes, l'assiette est placée en règle générale à la périphérie externe de la bague de renforcement, tan- dis qu'elle est placée à la périphérie interne de celle- ci dans les joints de tige de soupape Le Brevet des Etats-Unis d'Amérique N2 2.249.141 décrit par ailleurs un joint hydraulique sous forme d'un joint radial pour arbre. Ce joint se compose essentiellement d'une bague de renforcement profilée en cornière, com- plètement entourée de matière élastomère, et dans la- quelle l'assiette se trouve dans la zone de son aile axiale tandis que là lèvre d'étanchéité dynamique est- formée sur- son aile radiale. Une des ailes, ou les deux ailes, de la bague de renforcement comportent, en direction périphérique, des parties profilées en forme de trous, des pliures, ou autres conformations sembla- bles, servant à mieux ancrer la matière élastomère à la bague de renforcement, mais sans que cela permette de couvrir des tolérances importantes La présente invention a pour objet d'améliorer un joint d'étanchéité annulaire par des moyens constructifs sim- ples de façon à lui permettre d'assurer une meilleure adaptation à diverses tolérances en conservant une ca- pacité d'adhérence forte et constante et moyennant une pression aussi réduite que possible entre l'élément porteur et la zone d'ajustement serré. Ce but est atteint, conformément à l'invention, par un dispositif dans lequel les dimensions, en direction de la périphérie, des parties pleines séparant les évide- ments sont égales ou plus petites que celles de ces évidements. Cette modification du joint annulaire permet de réduire la quantité de matière élastomère présente entre les évidements, cette matière pouvant ainsi, lors du montage du joint annulaire, se répandre dans les évidements en direction opposée de la face d'appui par renflement de la matière élastomère se trouvant dans ces derniers et, en conséquence, d'aseu- rer une meilleure adaptation à diverses tolérances Les efforts exercés pour le montage n'en sont pas- augmentés et, selon le type de joint, en sont même diminués, sans que le joint ne réagisse élastiquement Simultanément, la forte capacité d'adhérence pendant le fonctionnement assure que le joint, en particulier S'il s'agit d'un joint de soupape, ne sera pas déplacé, à la longue, par la tige de soupape. Par comparaison avec l'état actuel de la technique, cet avantage est encore accentué par le fait que la largeur axiale des zones périphériques restantes est égale ou inférieure à celle des évidements. L'invention propose en outre, selon l'emplacement disponible et l'épaisseur radiale de la paroi de la bague de renforcement, de donner aux évidements une surface presque égale à celle des par- ties pleines, de façon à pouvoir éviter, par modifica- tion de l'épaisseur radiale de la paroi, de trop af- faiblir la bague de renforcement Pour faciliter le montage, on utilise souvent des bagues de renforcement profilées en équerre et, dans ce cas également, les caractéristiques de l'invention portent leurs fruits. Dans de telles bagues de renforcement, il est préférable de donner à la zone périphérique proche de.l'.ile radiale des dimensions moindres, dans le sens axial, qu'à la zone qui en est éloignée Ceci permet, d'une part de ne pas affaiblir inutilement la zone périphérique éloignée de l'aile radiale, et d'autre part d'empocher la matière élastomère de s'ac- cumuler dans la partie en équerre pour y engendrer les inconvénients précités Les évidements auront, de préférence, un profil trans- versal circulaire ou légèrement ovale bien qu'on puisse également utiliser des évidements à profil polygonal qui auront le même effet que les évidements circulaires mais qui auront, sur ces derniers, le désavantage d't- tre plus difficiles à réaliser et de produire de plus fortes indentations dans la zone de conformation com- mune à la bague de renforcement et à la matière élasto- mère. Selon le cas d'application, il pourra être judi- cieux de décaler axialement les évidements, alternati- vement les uns par rapport aux autres, non seulement pour éviter d'affaiblir une seule zone périphérique déterminée, mais encore pour pouvoir utiliser au mieux la totalité de la surface périphérique L'invention est décrite ci-après en détail en se réfé- rant à quelques exemples préférés, non limitatifs, de réalisation représentés sur les dessins annexés dans lesquels: - les figures 1 et la représentent, respectivement, un joint d'étanchéité annulaire radial pour arbre de ma- chine et, à plus grande échelle, sa bague de renforce- ment; - les figures 2 et 2a représentent, respectivement, un joint d'étanohéité annulaire glissant et, à plus grande échelle, sa bague de renforcement; et - la figure 3 représente un joint d'étanchéité annulai- re pour tige de soupape les figures 1 et la représentent, respectivement en coupe axiale et en perspective, une partie d'un joint d'étanchéité annulaire radial pour arbre de machine 1 logé dans un alésage 2 d'une pièQe de machine 3. le joint d'étanchéité annulaire 1 se compose essen- tiellement d'une zone statique d'étanchéité 4, en ma- tière élastomère, conformée de façon à constituer une zone d'ajustement serré, 4, et d'une zone d'étanchéité dynamique, également en matière élastomère, 5, ayant la forme d'une lèvre d'étanchéité chargée par un res- sort 6 et s'appuyant à un arbre rotatif 7; ce joint se compose en outre d'une bague de renforcement 8 fixée par vulcanisation à la surface périphérique interne 9 de la zone statique d'étanchéité 4. Comme le montre la figure la à plus grande échelle, la bague de renfor- cement comporte des évidements circulaires ou légère- ment ovales 11 régulièrement répartis à sa périphérie 10. Cee évidements 11 sont répartis sur cette péri- phérie 10 de façon que les dimensions des parties pleines 12 subsistant entre les évidements 11 soient plus petites que celles des évidements 11 eux-mômes Le rapport entre les deux zones périphériques 13 et 14 est de même ordre de sorte que les évidements 11, vus en direction axiale, sont décalés en direction de l'aile , coudée en direction radiale, de la bague 8, de fa- çon à ne pas trop affaiblir la zone périphérique ex- terne 13. Pour faciliter la fabrication, les évide- ments 11 sont remplis par la matière élastomère de la zone d'étanchéité statique 4. Si la zone de tolérance à couvrir entre l'alésage 2 et ladite zone d'étanchéité statique 4 se trouve Otre plus petite qu'il n'avait été supposé au début, il n'y a aucune difficulté à monter le joint 1 du fait que la matière élastomère fixée par vulcanisation aux parties intermédiaires 12 et aux zo- nes périphériques 13 et 14 se trouve refouléedans les évidements et en chasse, radialement vers l'intérieur du joint, la matière élastomère qui s'y trouvait et qui forme alors de légères convexités saillantes 16 Les figures 2 et 2a représentent pareillement un joint d'étanchéité annulaire glissant 17, également logé dans l'alésage 18 d'une pièce de machine 19. Ce joint 17 comporte une zone d'étanchéité statique 20, conformée de façon à constituer une zone d'ajustement serré, et une zone d'étanchéité dynamique 21 ayant la forme d'une bague glissante que d'autres éléments maintiennent dans le joint 17 de façon à pouvoir s'y déplacer élastique- ment dans le sens axial. Comme le joint d'arbre radial de la figure 1, le joint glissant 17 comporte une bague de renforcement 22 fixée par vulcanisation à la surface périphérique interne 23 de la zone statique-d'étanché- ité 20. Dans la zone de sa surface périphérique 24, la bague d'étanchéité 22 comporte des évidements 25, circulaires ou légèrement ovales, alternativement dé- calés les une par rapport aux autres dans le sens axial. Dans ce second exemple, le rapport des surfaces des évidements 25 au reste de la matière constitutive 26 de la bague est sensiblement égal La figure 3 représente, en coupe axiale partielle, un joint annulaire d'étanchéité pour tige de soupape 27 comprenant, comme les joints des deux exemples précé- dents, une zone d'étanchéité statique 28 et une zone d'étanchéité dynamique 29. Dans la région de s. sur- face périphérique externe 30, la zone d'étanchéité statique 28 est renforcée par un manchon cylindrique 31.dont la périphérie 32 est pourvue, de la même ma- nière que celle décrite dans les deux exemples précé- dents, d'évidements 33 remplis par la matière élasto- mère ou légèrement plastique de la zone d'étanchéité statique. Le joint 27 est emmanché axialemert sur le guide de tige de soupape 34 au moyen d'outils à suivre, non représentés. Sans les évidements 33, con- formes à l'invention, du manchon de renforcement 31, on ne pourrait couvrir, même avec un profilage adéquat (tel que, par exemple, des ondulations) de la zone d'étanchéité statique 28, que des tolérances de 0, 2 mm au maximum. Pour de plus grandes tolérances, telles que de 0,6 mm par exemple, la matière élastomère, lors- qu'on forcerait axialement le joint 27 sur le guide de soupape 34, se déplacerait en direction de la lèvre d'étanohéité 29 et, selon la conformation de cette zone (bague d'étanohéité cornière), s'y accumulerait et fe- rait donc réagir.élastiquement le joint 27 en direction axiale inverse, lequel ne s'appuierait donc plus cor- rectement sur le guide 34. Ces inconvénients sont é- liminés par la présence, dans le manchon de renforoe- ment 31, des évidements 33 établis en tenant correcte- ment compte des rapports mutuels des surfaces. Dans le cas d'un guide de 11,86 mm de diamètre et un joint annulaire de 11,24 mm de diamètre intérieur (chevauche- ment de 0,62-mm),ce joint pourra comporter avantageu- sement huit évidements circulaires d'environ 4 mm de diamètre pour pouvoir couvrir la tolérance en question, et, lorsqu'on emmanchera axialement le joint 27, la matière élastomère ou légèrement plastique de la zone d'étanchéité statique 28 sera repoussée radialement vers l'extérieur en formant des convexités 55 À REVENDICATIONS 1. Joint d'étanchéité annulaire, en particulier joint annulaire radial pour arbre de machine, joint annu- laire glissant, ou joint pour tige de soupape, à zone statique et zone dynamique d'étanchéité, dont la zone statique, formant zone d'ajustement serré, est constituée par une matière élastomère s'appli- quant à la face d'appui correspondante d'un élément porteur et par une bague de renforcement cylindrique disposée dans la zone de la surface périphérique de ladite zone d'ajustement serré opposée à ladite face d'appui et pourvue d'évidements vus dans le sens périphérique, caractérisé en ce que les dimensions, vues dans le sens périphérique, des parties pleines (12) séparant les évidements (11, 25, 33) sont égales ou inférieures A celles desdits évidements (11) 2. Joint d'étanchéité annulaire selon la Revendication 1, caractérisé en oe que la largeur axiale des zones périphériques restantes (13, 14) est égale ou infé- rieure à celle des évidements (11) 3. Joint d'étanchéité annulaire selon les Revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le rapport des surfaces des évidements (25) au reste de la matière constitu- tive (26) de la bague de renforcement est sensible- ment égal il 4. Joint d'étanchéité annulaire selon les revendications 1 à 3, comportant une bague de renforcement à profil en équerre, caractérisé en ce que, vue en direction axiale, la zone périphérique (14) proche de l'aile radiale (15) a une surface moindre que la zone périphérique (13) éloi- gnée de ladite aile radiale (15). 5. Joint d'étanchéité annulaire selon une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les évidements (il, 25, 33) présentent un profil transversal circulaire. 6. Joint d'étanchéité annulaire selon une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les évidements (25) sont alternativement décalés les uns par rapport aux autres dans le sens axial.