Brevet FR2535815A1 — publié le 19840511

Joint d'étanchéité exempt de contact La présente invention concerne un joint d'étanchéité exempt de contact pour étancher une partie de machine immobile par rapport à une partie de machine rotative relativement à la précédente, en particulier un arbre d'une bote de vitesses, constitué par une première pièce d'étanchéité assemblée de façon solidaire en rotation avec la partie de machine rotative et agencée en tant qu'anneau de graissage espar une deuxième pièced'étanchéité bloquée en place dans la partie de machine immobile, qui présente une chambre de réception munie d'un canal annulaire extérieur et d'au moins un alésage d'écoulement et qui possède une surface d'étanchéité aménagée en direction radiale, qui est tournée en regard de la face frontale de l'anneau de graissage éloigné du palier de l'arbre et qui forme conjointement avec ladite face frontale une fente d'étanchéité de forme annulaire. Avec de tels agencements, on étanchéifie par exemple les emplacements des paliers dans les boites de vitesses pour empêcher, en particulier aux températures élevées et hautes vitesses de rotation, la pénétration de poussières, salissures et d'humidité ainsi que des fuites de lubrifiant. On connait différentes réalisations de joints d'étanchéité exempts de contact qui renferment comme éléments essentiels des anneaux de graissage, des labyrinthes et des filetages de retour. Ainsi, on décrit par exemple dans la demande de brevet de'la R.F.A. mise à la disposition du public sous le N0 DE-OS'1.775.479, un joint de traversée d'arbre pour étancher des arbores à hautes vitesses de rotation, qui contient également, outre une boSte à labyrinthe, un joint centrifuge, avec lequel le lubrifiant sortant de l'arête de graissage d'un disque de centrifugation tournant solidairement avec l'arbre, se trouve centrifugé dans un canal annulaire opposé au disque et prolongé par plusieurs alésages d'écoulement radiaux répartis sur sa périphérie, à partir desquels le lubrifiant est évacué de la boite de palier.De façon supplémentaire, il est prévu un anneau d'étanchéité fixe qui est tourné par son bord d'étanchéité aménagé en direction axiale en regard de la face frontale du disque de centrifugation éloignée du- palier et qui forme conjointement avec ladite face frontale, une fente d'étanchéité radiale annulaire. L'ajustement de la fente d'étanchéité est produit par rectification plane du bord d'étanchéité ou par un court rodage, au cours duquel de la matière du bord d'étanchéité et du disque de centrifugation est enlevée, laissant ainsi apparaître une fente annulaire régulière d'environ 0,02-0,03 mm.Dans ce cas, la face frontale du disque de centrifugation éloignée du palier et tournée vers l'anneau d'étanchéité, est agencée en tant que plan perpendiculaire à l'axe de rotation, qui prend la forme d'un coin après avoir atteint un diamètre supérieur à celui du bord d'étanchéité de l'anneau d'étanchéité. Le désavantage particulier de cette combinaison d'étanchéité réside dans l'action d'étanchéité incomplète du joint de centrifugation. C'est-à-dire que le disque de centrifugation, le canal annulaire et l'anneau d'étanchéité ne sont pas déterminés les uns par rapport aux autres dfune façon qui permettrait d'obtenir par l'effet de centrifugation une action d'étanchéité complète. Dans les cas où la quantité d'huile de graissage alimentée ou la pression d'huile sont grandes ou encore dans les cas où il n'existe pas de fentes annulaires régulières entre l'anneau d'étanchéité et le disque de centrifugation par suite de défauts de fabrication et de montage, il peut même survenir des fuites d'huile de graissage à partir du joint centrifuge en cours de rotation de l'arbre.Il s'y ajoute que lorsque l'arbre est au repos, l'huile de graissage s'égouttant à partir du canal annulaire ou des parois de la chambre de réception se rassemble dans l'espace s'élargissant radialement vers l'extérieur et compris entre la paroi de la chambre de réception et le disque de centrifugation en risquant de parvenir à l'extérieur à travers la fente d'étanchéité comprise entre l'anneau d'étanchéité et le disque de centrifugation. Dans le joint d!étanchéité pour traversée d'arbre précitée, il était par suite nécessaire d'incorporer un deuxième joint de centrifugation pourvu d'une bote à labyrinthe, afin d'éliminer l'huile de fuite ressortant du premier joint centrifuge.Par ailleurs, la boite à labyrinthe est incorporée en tant qu'unité entre le deuxième joint centrifuge et les bagues d'étanchéité en charbon montées en succession Ceci représente des grandes longueurs de construction dans la direction axiale, en plus de la consommation de place déjà élevée réclamée par le deuxième joint centrifuge. La combinaison d'étanchéité globale occupe de ce fait un espace relativement grand sur la machine. Il s'y ajoute encore également un inconvénient dû aux dépenses supplémentaires qu'exigent la fabrication et l'entretien du deuxième joint centrifuge, de la boîte à labyrinthe supplémentaire ainsi que des bagues d'étanchéité en charbon montées à la suite. Un joint d'étanchéité agencé de la sorte est de construction compliquée et de fabrication coûteuse. Il était donc intéressant de pouvoir remédier aux inconvénients précités, ce que se propose l'invention. Le but de l'invention- est par suite de réaliser un joint d'étanchéité exempt de contact3 qui exerce une action d'étanchéité essentiellementcomplètedans le cas d'un arbre en rotation comme dans celui d'un arbre au repos, et qui assure également cette action dans les cas d'irrégularités de fabrication et de pression d'huile élevée. En outre, le joint d'étanchéité de l'invention doit présenter, sans affaiblir l'arbre3 une longueur de construction axiale réduite et convenir aussi bien pour l'application de températures élevées que pour l'application de hautes vitesses de rotation. Les objectifs précités ainsi que d'autres qui apparaîtront mieux dans ce qui suit sont essentiellement atteints selon l'invention en ce que dans un joint d'étanchéité exempt de contact du type défini ci-dessus au début, l'anneau de graissage contient un disque de centrifugation allant en s' ouvrant dans la direction éloignée du palier en se présentant sensiblement sous la forme d'une lentille convergente concave-convexe, comportant des surfaces de délimitation concave et convexe se rejoignant vers l'extérieur pour former une arête de graissage annulaire, ainsi qu'un moyeu calé solidairement en rotation sur l'abre et s'avançant axialement au-deld de l'arête de graissage dans la direction éloignée du palier; et une partie de la pièce d'étanchéité fixe formant la chambre de réception pénètre dans l'espace intérieur du disque de centrifuge cette partie ayant sensiblement la forme d'un secteur sphérique et étant bordé radialement vers l'extérieur sur son pourtour par la surface de délimitation concave. Divers avantages obtenus grâce à l'invention résultent du fait que dans le nouvel agencement proposé, un joint centrifuge et une boîte à labyrinthe sont réunis en une unité entièrement intégrée. Par rapport à une conception non intégrée, dans-laquelle le joint centrifuge et la boite à labyrinthe sont agencés en unités séparées, une importante économie de place est maintenant offerte. Comme en outre, les différentes fentes d'étanchéité sont disposées entre l'anneau de graissage et la pièce d'étanchéité fixe en s'étendant de façon respective horizontalement, verticalement et en inclinaison par rapport à l'axe de rotation, on peut exploiter de façon optimale pour la boîte à labyrinthe, l'espace offert par le joint centrifuge. Dans un joint centrifuge relativement petit, on peut ainsi loger une boîte à labyrinthe très efficace en ce qui concerne le nombre et la longueur des fentes d'étanchéité et augmenter ainsi, sans occupation d'espace supplémentaire, l'action d'étanchement du joint centrifuge, de même que protéger le palier en particulier contre les poussières et l'humidité. Le fait que le joint de l'invention fonctionne entièrement sans contact et sans usure s'est également avéré avantageux, car la maintenance et l'entretien s'en trouvent facilités et, en particulier dans le cas de hautes vitesses de rotation, la durée d'emploi est augmentée. Des irrégularités de montage par suite desquelles une pièce d'étanchéité rotative peut facilement venir en contact avec une pièce d'étanchéité fixe, se trouvent automatiquement aplanies au bout d'un cours temps de marche par enlèvement de matière.Un autre avantage trouve son fondement dans le fait qu'en cours de fonctionnement, en raison de la haute vitesse de rotation de l'anneau de graissage par rapport aux pièces d'étanchéité fixes, il est engendré dans les deux fentes d'étanchéité de part et d'autre du disque de centrifugation, un effet de succion en direction radiale par rapport à l'arête de graissage, qui empêche un écoulement ou une infiltration, possible en direction inverse, d'une huile de graissage souillée dans le palier ou vers l'extérieur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui va suivre, donnée à titre indicatif, mais nullement limitatif, en référence au dessin annexé, dans lequel : La Figure 1 représente une vue en coupe axiale d'une forme de réalisation du joint d'étanchéité de l'invention en position de fonctionnement. Le joint d'étanchéité exempt dé contact selon la Figure 1 est constitué parun joint centrifuge étant conformé en tant que partie respective de la piècé d'étanchéité rotative et de la pièce d'étanchéité fixe, audit joint centrifuge étant intégrée une boîte à labyrinthe. Cet agencement est destiné à étancher un palier à rouleaux 1 inséré dans une boîte de vitesses 17 et destiné à être lubrifié de l'intérieur avec une huile de graissage d'une manière appropriée. Sur l'arbre 8 supporté dans le palier à rouleaux 1 est calé solidaire en rotation l'anneau de graissage 2 en position coaxiale et sous prétension axiale, par l'intermddiaire de la cale d'extrémité 6 et de l'écrou fileté 7. Il est constitué par un disque de centrifugation 2.1, une partie cylindrique qui doit être considérée comme moyeu 2.2, et une gouttière de réception 2.3 conformée en tant que gorge tournée dans la matière comprise entre le disque de centrifugation 2.1 et le moyeu 2.2. La pièce d'étanchéité fixe se compose des éléments 9 et 10. Ceux-ci forment une chambre- de réception 3 comportant un canal annulaire 4 extérieur ainsi qu'un canal annùlaire 5 intérieur et possèdent différentes surfaces d'étanchéité coopérant avec l'anneau de graissage 2. Pour la protection contre l'intrusion de particules un collet déflecteur 9.4 est aménagé sur l'élément 9.Le principe sur lequel est fondé l'invention réside essentiellement dans le fait que l'anneau de graissage 2 et les éléments 9, 10 de la pièce d'étanchéité fixe sont mutuellement déterminés en vue d'assurer une action d'étanchéité complète. A cet effet, le disque de centrifugation 2.1 possède sur la face éloignée du palier, une surface de délimitation 2.7 s'étendant verticalement par rapport à l'axe 8.1 de l'arbre et, sur la face tournée vers le palier, une surface de délimitation 2.6 s'étendant de façon à former un angle aigu par rapport à l'axe 8.1 de l'arbre. Les deux surfaces de délimitation se rejoignent radialement vers l'extérieur pour former une arête de graissage 2.4.Par ailleurs, le canal annulaire 5 intérieur de la chambre de réception 3 est délimité du coté du palier par un collet d'égouttage 9.3, qui est surplombé axialement dans la direction éloignée du palier, par l'arête de graissage 2.4 du disque de centrifugation 2.1. Pour l'intégration de la boîte à labyrinthe au joint centrifuge, les surfaces de délimitation de l'anneau de graissage 2 ainsi que celles des pièces d'étanchéité 9, 10 fixes sont mutuellement déterminées de façon qu'il en résulte des fentes d'étanchéité de longueur suffisante.A cet égard, entre les surfaces de délimitation 2.6 et 2.7 du disque de centrifugation 2.1 et les surfaces de délimitation 9.3 et 10.1 des pièces d'étanchéité fixes 9, 10, il existe respectivement une fente d'étanchéité 11 inclinée par rapport à l'axe 8.1 de l'arbre et une fente d'étanchéité 12 s'étendant radialement par rapport audit axe. En outre, les surfaces de délimitation 9.1 et 9.2 de l'élément 9 formentavec le moyeu 2.2 une fente étagée, constituée par les deux fentes d'étanchéité axiales 13 et par la fente d'étanÇhéité radiale 14. Pour le fonctionnement du joint de l'invention, on se référera de nouveau à la Figure 1. Pendant la course de l'arbre, le disque de centrifugation 2.1 engendre dans les fentes d'étanchéité annulaires 11 et 12, par suite de la haute vitesse de rotation, ùne succion dans la direction radiale par rapport à l'arête de graissage 2.4. Un mouvement dirigé en sens contraire à partir de la chambre de réception 3 dans le palier à rouleaux 1 ou vers l'extérieur est de ce fait rendu impossible, si bien que le palier à rouleaux 1 est complètement dtanchéifié-vis-à-vis de l'extérieur.L'huile de graissage sortant du palier à rouleaux 1, ainsi que des substances s'introduisant à partir de l'extérieur le long du moyeu 2.2 parviennent sur le disque de centrifugation 2.1 et se trouvent centrifugées par ce dernier dans la chambre de reception. L'huile de graissage qui s'écoule sur la paroi de la chambre de réception 3 éloignée du palier, se trouve reçue dans le canal annulaire intérieur 5 formé par cette paroi et le collet d'égouttage 9.3, en s'égouttant par-dessus ledit collet d'égouttage 9.3 sur le disque de centrifugation 2.1, à partir duquel elle se trouve de nouveau centrifugée. L'huile de graissage, qui s'égoutte depuis la partie supérieure de la paroi cylindrique de la chambre de réception 3, tombe dans le canal annulaire intérieur 5 ou sur le disque de centrifugation 2. 1. Quel que soit le mécanisme d'égouttage l'huile de graissage entraînée par centrifugation se rassemble finalement dans la partie inférieure du canal annulaire extérieur 4 et reflue à travers l'alésage d'écoulement 10.2 dans le réservoir d'huile de la boîte de vitesses. Bien entendu, ce joint centrifuge perd son efficacité lorsque l'arbre 8 est mis au repos. Dans ce cas, l'huile de graissage reflue sur la surface de délimitation 2.6 du disque de centrifugation 2.1 tournée vers le palier, en pénétrant dans le palier à rouleaux 1, ou encore parvient dans la partie inférieure du canal annulaire extérieur 4. L'huile de graissage de la surface de délimitation 2.7 éloignée du palier se rassemble par contre dans la gouttière de réception 2.3 formée par la transition entre le disque de centrifugation 2.1 et le moyeu 2.2 de l'anneau de graissage 2 et s'égoutte ensuite également par-dessus l'arête de graissage 2.4. Dans les deux cas, l'huile de graissage parvient de nouveau dans le réservoir d'huile de la boîte de vitesses à travers l'alésage d'écoulement 10.2. Auprès de ce joint centrifuge se trouve, entre la pièce d'étanchéité fixe et la pièce d'étanchéité rotative, une bote à labyrinthe qui se compose des fentes d'étanchéité annulaires 11, 12, 13 et 14.Ladite boîte assure un étanchement supplémentaire du palier à rouleaux 1, en particulier contre les poussières et l'humidité vis-à-vis de l'extérieur et est efficace, contrairement au joint centrifuge, aussi bien en présence d'un arbre 8 en rotation qu'au repos. L'invention peut être mise en oeuvre suivant de nombreuses modifications et variantes sans pour autant s'écarter de son cadre et de son esprit. Ainsi, au lieu de la réalisation proposée dans l'exemple précité, on peut modifier d'une manière quelconque le nombre des fentes d'étanchéité ainsi que leur configuration et leur disposition mutuelle, par exemple pour mieux faire entrer en.compte des particularités de construction. La seule condition à admettre est simplement que les fentes à labyrinthe puissent être intégrées dans le joint centrifuge et ne pas gêner à cet effet la détermination conforme à l'invention entre les pièces d'étanchéité respectivement rotative et fixe. Pour un ajustement précis des fentes d'étanchéité, les pièces d'étanchéité fixes 9, 10 peuvent également être fixées en direction axiale de façon qu'elles viennent s'appliquer exactement par leurs surfaces de délimitation entièrement ou partiellement sur l'anneau de graissage 2. Pendant un court temps de mise en marche, il se produit un enlèvement de matière, ce qui conduit à un établissement automatique de fentes d'étanchéité régulières et en particulier étroites. REVENDICATIONS 1. Joint d'étanchéité exempt de contact pour étancher une partie de machine immobile par rapport à une partie de machine rotative relativement à la partie précédente, en particulier un arbre (8) d'une boîte de vitesses, constitué par une première pièce d'étanchéité assemblée de façon solidaire en rotation avec la partie de machine rotative et agencée en tant qu'anneau de graissage(2) et par une deuxième pièce d'étanchéité bloquée en place dans la partie de machine immobile, qui présente une chambre de réception (3) munie d'un canal annulaire extérieur (4) et dsau moins un alésage d'écoulement 110.2) et qui possède une surface d'étanchéité (9.2) aménagée en direction radiale, qui est tournée en regard de la face frontale de l'anneau de graissage (2) éloignée du palier de l'arbre et qui forme conjointement avec ladite face frontale une fente d'étanchéité (12) de forme annulaire, caractérisé en ce que l'anneau de graissage (2) contient un disque de centrifugation (2.1) allant en s'ouvrant dans la direction éloignée du palier en se présentant sensiblement sous la forme d'une lentille convergente concave-convexe, comportant des surfaces de délimitation concave et convexe (2.7, 2.6) se rejoignant vers l'extérieur pour former une arête de graissage (2.4) annulaire, ainsi qu'un moyeu (202) calé solidairement en rotation sur l'arbre (8) et s'avançant axialement au-delà de l'arête de graissage (2.-4) dans la direction éloignée du palier, et en ce qu'une partie de la pièce d'étanchéité fixe formant la chambre de réception (3)-pénètre dans l'espace intérieur du disque de centrifugation (2.1),cette pet ayant sensiblement la forme d'un secteur sphérique et étant bordéeradialement vers l'extérieur sur son pourtour par la surface de délimitation concave (207). 2. Joint d'étanchéité exempt de contact selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une boîte à labyrinthe agencée de façon à former partie intégrante du joint centrifuge, contient des fentes d'étanchéité (11, 12, 13 et 14) annulaires s'étendant respectivement axialement, radialement et de façon inclinée par rapport à l'axe de l'arbre, lesdites fentes étant disposées entre l'anneau de graissage (2) et les éléments (9, 1Q) de la pièce d' étanchéité fixe. 3. Joint d'étanchéité exempt de contact selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'anneau de graissage (2) possède sur la région de transition entre le disque de centrifugation (2,1) et le moyeu (2.2), une gouttière de réception (2.3) conformée en tant que gorge tournée dans la masse. 4. Joint d'étanchéité exempt de contact selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que sur l'élément (9) de la pièce d'étanchéité fixe, le passage en regard de la gouttière de réception (2.3) qui réunit la surface d'étanchéité axiale t9.1) à la surface d'étanchéité radiale (9.2) est biseauté. 5. Joint d'étanchéité exempt de contact selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément (9) de la pièce d'étanchéité fixe présente un collet d'égouttage (9.3) qui délimite le canal annulaire intérieur (5) et qui est surplombé axialement dans la direction éloignée du palier, par l'arête de graissage (2.4). 6. Joint d'étanchéité exempt de contact selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément (9) de la pièce d'étanchéité fixe présente un collet déflecteur de poussières (9.4). 7. Joint d'étanchéité exempt de contact selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'anneau de graissage (2) etlou les éléments {9, 10) de la pièce d'étanchéité fixe sont constitués en matière plastique non métallique. Joint d'étanchéité exempt de contact selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le disque de centrifugation (2.1) est constitué en matière plastique non métallique et est enserré par une bague de tôle fixée sur le moyeu (2.2). 9. Joint d'étanchéité exempt de contact selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le disque de centrifugation (2.1) presente sur sa surface de délimitation (2.7) concave, éloignée du palier, et/ou sur sa surface de délimitation (2.6) convexe, tournée vers le palier, un dispositif d'entraînement, par exemple un filetage. 10. Joint d'étanchéité exempt de contact selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que pour la fixation axiale de l'anneau de graissage (2) aux éléments (9, 10) de la pièce d'étanchéité fixe, sont prévues des rondelles de calage.