Brevet FR2520459A1 — publié le 19830729

La présente invention concerne les joints flexi- bles, notamment pour articulations- Un joint flexible connu comporte une butée an- nulaire flexible en appui contre des surfaces en regard alignées axialement de deux organes de rotule afin qu'elle permette un pivotement relatif de ces organes dans un plan quelconque contenant l'axe longitudinal du joint. Un inconvénient de ce type de joint est que la butée flexible, bien qu'elle puisse supporter des char- ges élevées de compression, ne peut supporter que des charges relativement faibles de traction sans se rompre. En conséquence, dans les applications dans lesquelles les charges de compression et de traction d'amplitude analogue doivent être permises, il faut que le joint uti- lisé comporte deux butées flexibles disposées de manière que l'une encaisse les charges de compression et l'autre les charges de traction Cette disposition ne donne pas satisfaction car non seulement l'ensemble est de fabri- cation coûteuse mais encore la rigidité conique de l'ensem- ble augmente de façon indésirable du fait de l'utilisa- tion des deux butées flexibles. L'invention concerne un joint flexible qui com- porte un organe externe creux, un organe interne ayant une partie formant corps disposée dans l'organe externe et une partie formant une tige qui dépasse vers I'exté- rieur par un orifice de l'organe externe, une butée flexi- ble étant en appui contre des surfaces en regard de l'or- gane interne et de l'organe externe, un fluide pratique- ment incompressible étant logé dans une chambre étanche délimitée dans l'organe externe. Le joint selon l'invention peut encaisser à la fois les charges de traction et de compression, les charges étant essentiellement supportées par une compres- sion de la butée flexible alors que les charges de compres- sion sont supportées essentiellement par une augmentation de la pression du fluide incompressible contenu dans la chambre. Le fluide contenu dans la chambre, par exemple un gaz ou un liquide ou une combinaison d'un gaz et d'un liquide, est de préférence sous pression lorsque le joint n'est pas sous charge, la pression du fluide exerçant ainsi une charge préalable de compression sur la butée flexible. L'importance de la charge préalable de la butée flexible est de préférence choisie afin qu'elle soit com- prise dans la plage des charges de traction que le joint est destiné à encaisser En conséquence, la déviation globale de la butée pendant le travail est réduite de même que l'apparition des chargesde traction est évitée, si bien que ces deux caractéristiques contribuent à aug- menter notablement la durée de résistance à la fatigue de la butée. La charge étanche est de préférence délimitée au moins en partie par un élément de commande, par exem- ple un diaphragme souple ou un tiroir coulissant sou- mis d'un côté à l'action du fluide sous pression présent dans la chambre et, de l'autre côté,à l'action de la pres- sion d'un fluide extérieur qui empêche l'apparition d'une dépression dans le fluide contenu dans la chambre La pression exercée par le fluide externe peut être celle d'un fluide qui entoure le joint, par exemple la pression del'air atmosphérique ou la pression du fluide contenu dans une cavité étanche et agissant de l'autre côté de l'élément de commande du fluide présent dans la chambre. Le joint est de préférence capable de permettre un pivotement relatif des organes interne et externe. Ainsi, les surfaces alignées axialement qui sont en re- gard Wsur les organes interne et externe peuvent être des parties de cylindre permettant un certain pivotement dans un plan contenant l'axe longitudinal du joint mais, de préférence, ces surfaces sont des parties de sphère qui permettent un pivotement dans toutes les directions, dans un plan quelconque contenant l'axe longitudinal du joint. Les surfaces en regard ont de préférence un axe central commun (partie de cylindre) ou un centre de courbure com- mun (partie de sphère). La butée flexible a de préférence une construc- tion lamifiée qui comprend des couches intercalées d'une matière élastomère telle que du caoutchouc et de pla- ques de renforcement, mais elle peut ne comprendre que de la matière élastomère La butée a des faces d'extré- mités complémentaires du profil des surfaces en regard des organes interne et externe et, lorsque ces surfaces ont un profil courbe et la butée a une construction la- mifiée, les couches et plaques individuelles de la butée ont un profil courbe analogue Les faces d'extrémités de la butée peuvent être collées aux surfaces en regard ou fixées à des bagues métalliques d'extrémités qui sont elles- mêmes fixées aux surfaces par tout dispositif connu La butée peut être annulaire, avec un orifice central pour le passage de la tige de l'organe interne, et elle peut avoir une construction en une seule-pièce ou comprendre plusieurs segments individuels. Dans les applications dans lesquelles le joint doit permettre une déviation conique importante, deux organes internes séparés l'un de l'autre sont placés dos à dos, les tiges associées dépassant à l'extérieur en sens opposéspar des orifices respectifs formés dans l'or- gane externe, une butée flexible correspondante étant disposée entre chaque organe interne et l'organe externe, un fluide sensiblement incompressible étant disposé dans la chambre étanche formée dans l'organe externe et agis- sant entre les organes internes. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une coupe longitudinale d'un premier mode de réalisation de joint selon l'inventions lorsqu'il n'est pas soumis à une force; les figures 2 et 3 sont des coupes longitudinales du joint de la figure 1 lorsque qu'il est soumis respecti- vement à des forces axiales de traction et de compres- sion; la figure 4 est une coupe longitudinale d'un second mode de réalisation de joint selon l'invention, sans application de force; les figures 5 et 6 sont des coupes longitudi- nales du joint de la figure 4 respectivement sous l'ac- tion de forces axiales de traction et de compression; et les figures 7 à 12 représentent diverses va- riantes des joints des figures 1 à 3 et 4 à 6. Le joint 1 représenté sur les figures 1 à 3 des dessins annexés comporte un organe externe creux 2, un organe interne 3 et une butée flexible 4, disposée entre les organes externe et interne L'organe externe 2 a une partie 5 formant un corps tubulaire ayant un flasque radial interne 6 tourné vers l'intérieur, à une première extrémité, et délimitant un orifice central 7, ainsi qu'une surface interne 8 par- tiellement sphérique qui entoure l'orifice 7 L'autreex- trémité du corps 5 est fermée par un diaphragme annulaire flexible 9 dont le bord périphérique est logé et retenu dans une gorge annulaire 10 délimitée par un collet 11 formé dans la face d'extrémité du corps 5 et par le bord d'une plaque rigide 12 d'extrémité fixée à la face d'ex- trémité par tout dispositif convenable (non représenté) par exemple par des boulons La plaque 12 d'extrémité a plusieurs trous évents 13, utiles dans un but décrit plus en détail dans la suite du présent mémoire. L'organe interne 3 a une partie 14 formant un corps qui délimite une surface externe 15 partiellement sphérique disposée en face de la surface interne partiel- lement sphérique de l'organe externe 2 mais distante axia- lement de cette dernière surface, et une tige 16 qui est solidaire'du corps 14 et qui dépasse vers l'extérieur par l'orifice 7 de l'organe externe et qui est coaxialeà l'axe longitudinal du joint. La butée flexible 4 comporte plusieurs anneaux partiellement sphériques formés de couches d'un élastomère 4 a et de plaques rigides 4 b de renforcement qui alternent, les anneaux d'extrémité ayant un profil complémentaire de celui des surfaces partiellement sphériques 8 et 15 disposées en regard et étant fixés à ces surfaces. Le corps 5 de l'organe externe 2, la butée 4, le corps 14 de l'organe interne 3 et le diaphragme flexible 9 délimitent ensemble une chambre étanche 17 remplie d'un fluide pratiquement incompressible 18, par exemple un fluide à base d'huile de ricin, sous une pression de 35 bars. On considère maintenant plus en détail le fonc- tionnement du joint décrit précédemment Comme l'indique d'abord la figure 1 qui représente le joint à l'état sta- tique ou sans charge, les couches élastomères 4 a subissent une charge préalable de compression exercée par le fluide sous pression présent dans la chambre 17 et le diaphragme 9 est soumis d'un côté à la pression du fluide présent dans la chambre 17 et de l'autre côté à la pression ex- terne ou environnante, c'est-à-dire à la pression atmosphé- rique de l'air, par l'intermédiaire des trous évents 13, si bien qu'il s'aplatit contre la plaque 12 d'extrémité. On considère maintenant la figure 2 qui repré- sente l'effet de l'application d'une force de traction à l'un'des organes 2, 3 du joint représenté sur la figure 1 On considère par exemple qu'une force de traction est appliquée à l'organe interne 3; lorsque cette force de traction augmente, les couches élastomères 4 a subissent une compression croissante et l'organe interne 3 sedéplace vers la droite sur la figure, c'est-à-dire dans le sens de là force de traction appliquée En conséquence, le vo- lume de la chambre 17 augmente et provoque une réduction de la pression du fluide dans cette chambre jusqu'à ce que la pression corresponde à la pression atmosphérique. A ce moment, le diaphragme 9 est déformé vers la droite et s'écarte de la plaque 12 d'extrémité, de l'air à la pression atmosphérique étant aspiré dans l'espace délimité entre le diaphragme 9 et la plaque 12 Dans ces conditions, les pressions qui agissent sur les deux faces du diaphragme sont égales, et une déformation plus importante de l'or- gane 3 ne provoque pas une réduction supplémentaire de la pression du fluide dans la chambre 17, c'est-à-dire que la pression du fluide présent dans la chambre 17 ne peut pas devenir négative. On considère maintenant la figure 3 qui repré- sente l'effet de l'application d'une force de compression à l'un ou l'autre des organes 2, 3 du joint représenté sur la figure 1 On considère par exemple qu'une force de compression est appliquée à l'organe interne 3; lors- que cette force de compression augmente, les couches élas- tomères 4 a subissent une compression réduite et la force est encaissée sous forme d'une augmentation de la pression du fluide dans la chambre 17, ce fluide étant pratiquement incompressible et empêchant ainsi la déformation de l'or- gane interne 3 vers la gauche comme indiqué sur la figure, c'est-à-dire dans le sens de la force de compression, et, de cette manière, des forces de traction ne peuvent pas être appliquées aux couches élastomères 4 a Le fonction- nement du joint I sous l'action de forces de traction et de compression appliquées à l'organe 2 est analogue à celui qu'on vient de décrire en référence à l'organe interne 3. En plus de son rôle d'encaissement des forces de compression appliquées au joint 1 comme décrit précé- demment, le fluide 18 sous pression qui est présent dans la chambre 17 permetune augmentation des caractéristiques de résistance à la fatigue du joint par réduction de la déformation réelle de la butée en cours de fonctionnement sans augmentation du pourcentage maximal de compression, de la manière suivante Si l'on suppose que le joint est destiné à être utilisé dans une plage de forces de traction allant de 1,8 10 à 1,3 10 N et, en l'absence de fluide sous pression dans la chambre 17, la déformation totale de la butée dans cette plage est de X mm équivalant à une. plage de compression en pourcentage de 0,5 à 3,5 % On suppose maintenant que le fluide sous pression présent dans la chambre 17 du joint selon l'inventon exerce une force préalable de 5,4 106 N dans la butée flexible, don- nant une déformation initiale de Y mm à l'état statique ou sans que des forces soient appliquées Comme décrit précédemment, la pression du fluide présent dans la cham- bre 17 diminue lorsque la force de traction augmente, si bien que, pour une force de traction 1,3 107 N, la contri- bution due au fluide sous pression est considérablement réduite et la déformation totale de l-a butée est pratique- ment la même qu'en l'absence de fluide sous pression dans la chambre 17, c'est-à-dire que la déformation de la butée pendant le fonctionnement a été réduite de X mm N (X Y) na équivalant à une plage de compression en pourcentage de 1,5 à 3,5 % par exemple. D'autres avantages dus à l'aptitude du joint selon l'invention à encaisser à la fois les forces de trac- tion et de compression par mise en oeuvre d'une seule butée flexible, sont une réduction de la rigidité conique du joint par rapport au joint connu qui nécessite l'utilisa- tion de deux butées flexibles disposées de manière qu'elles aient un rôle équivalent, le coût de fabrication étant aussi réduit car la butée constitue la plus grande partie, de ce coût. On considère maintenant les figures 4 à 6 qui représentent un second mode de réalisation de joint 30 selon l'invention, ayant un organe externe creux 31 et deux organes internes 32, 32 ' placés dos à dos afin qu'ils per- mettent l'obtention d'angles de conicité plus grands que le joint 1 des figures 1 à 3. L'organe externe 31 a un corps tubulaire 33 ayant une plaque 34, 34 ' d'extrémité délimitant une ouverture, fixée à chaque extrémité La partie centrale du corps 33, entre les plaques d'extrémités, a plusieurs trous évents qui sont fermés par un diaphragme cylindrique interne 36 fixé au corps 33, aux deux extrémités du diaphragme. Les deux plaques 34, 34 ' sont analogues et ont un orifice central 37, 37 ' et une surface interne partiellement sphé- rique 38, 38 ', disposée autour de l'orifice associé. Les deux organes internes 32, 32 ' sont analo- gues et ont un corps 39, 39 ' qui délimite une surface ex- terne partiellement sphérique 40, 40 ' et une tige 41, 41 ' solidaire du corps Chaque corps 39, 39 ' est placé dans l'organe externe 31 près d'une extrémité de celui-ci, la tige associée 41, 411 passant par l'orifice 37, 37 ' formé dans la plaque adjacente 34, 34 ' d'extrémité et en dépas- sant Les tiges 41, 41 ' sont alignées axialement et sont coaxiales à l'axe longitudinal du joint. Une butée flexible 42, 42 ' est disposée entre les surfaces partiellement sphériques 38, 40 et 38 ', 40 ' placées en regard sur les organes interne et externe Les deux butées 42, 42 ' sont analogues et comportent plusieurs anneaux partiellement sphériques formés de couches'd'élas- tomère 42 a, 42 'a et de plaques rigides d'armature 42 b, 42 'b, disposées en alternance. Les plaques 34, 34 ' d'extrémités, les corps 39, 39 ', les butées 42, 42 ' et le diaphragme 36 forment en-, semble une chambre étanche 43 à l'intérieur de l'organe externe, et un fluide pratiquement incompressible y est contenu sous pression. Le-fonctionnement du joint 30 représenté,;sur les figures 4 à 6, lorsqu'il subit des forces de traction et de compression appliquées à l'un ou l'autre organe in- terne, est pratiquement analogue à celui qu'on a décrit en référence au mode de réalisation des figures 1 à 3, c'est-à-dire que les butées flexibles 42, 42 ' sont sou- mises à une force préalable de compression par le fluide sous pression présent dans la chambre 43, et les forces de traction sont encaissées par une augmentation de la compression des butées, accompagnée par une réduction de la pression du fluide de la chambre 43, jusqu'à ce que cette pression soit égale à la pression atmosphérique ex- terne agissant par l'intermédiaire des trous évents 35, alors que les forces de compression sont encaissées par une augmentation de la pression du fluidedans la chambre 43. L'aptitude du joint selon l'invention à encais- ser à la fois les forces de compression et de traction le rend particulièrement adapté à des lignes d'ancrage destinées à la fixation des plates-formes flottantes de fo- rage en mer, sur le fond de la mer lorsque le déplacement de la plateforme peut provoquer l'application au joint de forces de compression et de traction variant beaucoup, par l'intermédiaire de la ligne d'ancrage Plus précisément, le joint des figures 1 à 3 peut être utilisé pour la fixa- tion des extrémités d'une telle ligne, l'organe externe étant fixé à la plate-forme ou au fond de la mer et la tige de l'organe interne étant fixée à la ligne d'ancrage alors que le joint des figures 4 à 6 peut être utilisé pour le raccordement de tronçons successifs d'une telle ligne par fixation de la tige de chaque organe interne aux extrémités adjacentes de deux tronçons successifs. Il faut noter que l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décritsprécédemment; par exemple, comme l'indiquent les figures 7 et 8, le diaphragme flexi- ble 9 du joint représenté sur les figures 1 à 3 peut être remplacé par un diaphragme flexible 70 fixé par sa péri- phérie à la face d'extrémité du corps 14 de l'organe in- terne 3 Le diaphragme 70 est soumis d'un côté au fluide sous pression présent dans la chambre 17 et, de l'autre côté, soit à la pression externe environnante par une ca- nalisation évent 71 formée dans l'organe interne 3 (figure 7),soit à la pression du fluide contenu dans une cavité étanche 72 délimitée par le diaphragme 70 et un évidement 73 de la face d'extrémité du corps 14 de l'organe interne 3 (figure 8). Dans une variante et comme représenté sur les figures 9 et 10, le diaphragme flexible 70 représenté sur les figures 7 et 8 peut être remplacé par une navette ou un tiroir 80 qui peut coulisser dans un alésage axial 81 formé dans le corps 14 et la tige 16 de l'organe interne 3 et coopérant de façon étanche avec l'alésage 81 par l'in- termédiaire de deux joints toriques 82 Le tiroir 80 est soumis d'un côté à la pression du fluide présent dans la chambre 17 et, de l'autre côté, à la pression externe du milieu environnant par l'intermédiaire d'une canalisation évent 83 formée dans l'organe interne 3 (figure 9) ou à la pression du fluide contenu dans une cavité étanche 84 délimitée par le tiroir 80 et l'extrémité fermée de l'alé- sage 81 (figure 10). Le fluide contenu dans les cavités étanches 72, 84 peut être un gaz ou un liquide, et il s'agit de préfé- rence du fluide déjà contenu dans la chambre 17, et les pressions du fluide dans les deux chambres sont rendues égales lorsqu'aucune force n'est appliquée Les cavités 72, 84 sont avantageusement remplies par un canal non re- présenté formé dans l'organe interne et qui est fermé par un bouchon. Il faut noter que chacune des variantes 7 à 10 peut être incorporée au joint des figures 4 à 6, l'un des organes interne 32, 32 ' ou les deux pouvant être réalisés comme représenté sur l'une des figures 7 à 10 ou suivant ' toute combinaison de ces variantes. Dans une autre variante représentée sur les fi- gures 11 et 12, les diaphragmes 9 et 36 des joints des figures 1 à 3 et 4 à 6 respectivement sont supprimés et les chambres étanches 17 et 43 sont remplies d'une combi- naison d'un gaz et d'un liquide sous pression afin que les butées 4 et 42, 42 ' subissent une charge préalable de compression Le volume de gaz qui est habituellement très inférieur au volume de liquide, est choisi de manière que, sous l'action de la force maximale de traction, la pression du fluide placé dans la chambre ne tombe pas au- dessous de la pression externe du milieu environnant, et que, sous l'action d'une force de compression, la pression interne du fluide placé dans la chambre augmente rapide- ment afin que la charge soit encaissée, la pression in- terne initiale du fluide étant choisie de manière que les butées ne subissent jamais une force de traction lorsque le joint est soumis à des forces de compression Le gaz il et le liquide peuvent être en contact ou peuvent être séparés par une membrane convenable, le gaz pouvant par exemple être contenu dans une enveloppe étanche Des com- binaisons d'un gaz et d'un liquide qui conviennent sont celles d'air et d'eau contenant un ihnibiteur de corrosion. D'autres variantes (non représentées) mettent en oeuvre une cavité étanche contenant un fluide agissant sur l'autre face des diaphragmes 9 et 36 des joints des figures 1 à 3 et 4 à 6 respectivement Une telle cavité étanche peut être placée à l'extérieur des organes ex- ternes o les diaphragmes 9, 36 peuvent être réalisés afin que la chambre formée dans l'organe externe soit divisée en deux compartiments étanches Dans une varian- te, l'organe externe du joint représenté sur les figures 1 à 3 et 4 à 6 respectivement peut avoir un arrangement comprenant un tiroir coulissant analogue à ceux des fi- gures 9 et 10, à la place des diaphragmes 9, 36. Les surfaces en regard des organes interne et externe peuvent avoir la forme de partiesde cylindre, permettant un pivotement dans un plan seulement conte- nant l'axe longitudinal du joint. Les tiges des organes internes peuvent être solidaires du corps comme décrit précédemment, ou elles peuvent être formées séparément et fixées au corps de toute manière convenable, par exemple par boulonnage. REVENDICATIONS 1 Joint-flexible comprenant un organe externe creux, un organe interne ayant un corps disposé dans l'or- gane externe et une tige dépassant à l'extérieur par un orifice formé dans l'organe externe, et une butée flexible disposée entre les surfaces externe et interne en regard des organes interne et externe respectivement afin qu'elle absorbe les forces de traction, ledit joint étant caracté- risé en ce qu'un fluide pratiquement incompressible ( 18) est contenu dans une chambre étanche ( 17, 43) formée à l'intérieur de l'organe externe ( 2, 31) et destinée à encaisser les forces de compression. 2 Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que la butée ( 4, 42, 42 ') est soumise à une charge préalable de compression. 3 Joint selon la revendication 2, caractérisé en ce que la butée ( 4, 42, 42 ') est soumise à une charge préalable exercée par la pression du fluide ( 18) présent dans la chambre ( 17, 433). 4 Joint selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chambre ( 17, 43) est délimitée au moins en partie par un élément de com- mande ( 9, 36, 66, 80) qui est soumis d'un cÈté à la pres- sion du fluide ( 18) présent dans la chambre ( 17, 43) et de l'autre côté à la pression d'un fluide externe. Joint selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément de commande est un diaphragme flexible ( 9, 36, 70). 6 Joint selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément de commande est un tiroir coulissant ( 80). 7 Joint selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la pression du fluide externe est la pression atmosphérique. 8 Joint selon l'une quelconque des revendiations * 4 à 6, caractérisé en ce que la'pression externe, est celle d'un fluide contenu dans une cavité étanche ( 72, 84). 9 Joint selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les surfaces en re- gard ( 8, 15; 38, 40; 38 ', 40 ') ont une forme partiel- lement cylindrique et ont de préférence un axe central commun. Joint selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les surfaces en regard ( 8, ; 38, 40; 38 ', 40 ') ont une forme partiellement sphé- rique avec de préférence un centre commun de courbure. 11 Joint selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la butée ( 4, 42, 42 ') a une construction lamifiée comprenant des couches alter- nées d'élastomère ( 4 a, 42 a, 42 'a) et d'armature ( 4 b, 42 b, 42 'b). 12 Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte deux organes internes ( 32, 32 ') ayant chacun un corps associé ( 39, 39 ') disposé dans l'organe externe ( 31) et une tige associée ( 41, 41 ') qui dépasse vers l'extérieur, les deux tiges dépassant en sens opposes par les orifices respectifs ( 37, 37 ') formés dans l'or- gane externe ( 31), et une butée flexible correspondante ( 42 42 ') placée entre un organe interne ( 32, 32 ') et l'or- gane externe ( 31).