Brevet FR2547636A1 — publié le 19841221

Les garnitures classiques à un seul niveau de pression, qui forment une barrière unique contre les fuites de fluides, sont généralement mal appropriées pour travailler sur de larges intervalles de pressions. Les garnitures pour hautes pressions, composées d'une seule bague élastique, tendent à s'extruder dans l'espace libre compris entre le piston et le cylindre. Le fluide sous pression peut s'infiltrer entre la garniture d'étanchéité et les éléments avec lesquels cette garniture est en contact. On peut éviter ltextrusion en utilisant des bagues d'étanchéité relativement dures et non élastiques. Toutefois, les bagues non élastiques doivent être montes sans jeu pour assurer une bonne efficacité aux pressions élevees. Ces bagues sont donc inappropriées pour être utilisées aux basses pressions, parce qutelles donnent lieu à un frottement et une usure excessifs. La solution apportée au problème est constituée par une garniture à deux niveaux comprenant une bague d'étanchéité faite d'une matière élastiquement déformable qui est efficace à basse pression (environ 7 à 21 kg/cni2) et une bague d'appui 2 complémentaire qui répond aux hautes pressions (35 kg/cm ou plus) et qui est composée d'une matière légèrement élastique telle que celle connue sous la marque "Teflon" pur ou chargé. La bague d'étanchéité entre en contact avec l'élément qui lui fait face, qui est animé d'un mouvement relatif de va-et-vient par rapport à elle, en formant un joint étanche aux basses pressions. Aux pressions plus élevées, la bague d'étanchéité plus élastique S1 écarte de l'élément animé d'un mouvement relatif de va-et-vient par rapport à elle et tend à pousser radialement la bague d'appui pour l'appliquer en contact à joint étanche avec cet élément. Le résultat est la formation d'une garniture d'étanchéité qui est efficace aux basses pressions et aux hautes pressions sans provoquer ni frottement excessif, ni usure excessive aux basses pressions. Selon l'invention, on réalise une garniture d'étan chéité destinée à être utilisée entre des éléments en mouvement relatif, respectivement intérieur et extérieur. La garniture comprend une bague d'étanchéité annulaire, faite d'une matière élastiquement défornable, et une bague d'appui complémentaire. Cette garniture est par exemple logée dans une gorge circonférentielle ménagée dans l'élément intérieur. La bague d'étanchéité possède une face latérale disposée radialement qui définit le côté pression de la garniture, et une surface périphérique extérieure définie par quatre parties contiguës. La première partie est grossièrement semi-circulaire. La deuxième partie est une surface inclinée qui part de la première partie en formant un angle de 10 à 400 avec un rayon de la bague d'étanchéité. La troisième partie est un collet s'étendant axialement. Le bord radial de ce collet coopère avec une paroi radiale de la gorge pour définir un espace grossièrement rectangulaire. La quatriè- me partie de la surface périphérique extérieure de la bague d'étanchéité est une surface courbe située à l'intersection entre la deuxième partie et la troisième partie. La bague d'appui est de section trapézoldale et elle est disposée radialement à l'extérieur par rapport à la troisième partie de la bague d'étanchéité. Une face latérale de la bague d'appui est inclinée vers l'intérieur en formant un angle compris entre 50 et 700 avec l'axe de la bague d'appui. Cette face latérale de la bague d'appui coopère avec la deuxième et la quatrième parties de la surface périphérique extérieure de la bague d'étanchéité pour définir un espace triangulaire. Le sommet du triangle se trouve sur une périphérie de la garniture d'étanchéité. Un but de l'invention est de réaliser une garniture d'étanchéité qui soit aussi efficace aux hautes pressions et aux basses pressions. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple, - la Fig. 1 est une vue en perspective des deux ba gues complémentaires séparées, une partie étant découpée pour montrer la section - la Fig. 2 est une vue en coupe axiale de la garniture d'étanchéité montée dans-une gorge d'un piston - la Fig. 3 est une vue analogue à la Fig. 2 mais qui montre l'orientation des éléments lorsque la surface périphérique extérieure de la bague d'étanchéité est en contact avec la paroi du cylindre qui l'entoure - la Fig. 4 est une vue analogue å la Fig. 2 mais qui montre la disposition des éléments constitutifs lorsque la pleine pression a été appliquée au piston - la Fig. 5 est un graphique représentant le frottement linéaire en fonction de la pression du fluide pour diver- ses garnitures d'étanchéité pour fluides Comme on le voit en se reportant en détail aux dessins annexés, sur lesquels les éléments analogues sont désignés par les mêmes numéros de référence, la Fig. 2 montre la garniture d'étanchéité 10 montée dans un presse-étoupe ou dans la gorge 16 d'un piston 144 Cette garniture d'étanchéité 10 comprend une bague d'étanchéité 11 et une bague d'appui 12 La bague d'étanchéité ll possède une face latérale 18 orientée radialement, sur le côté pression de la garniture. La surface 18 est la surface qui sera exposée à la pression appliquée au pis- ton 14.Un collet axial 20 est prévu sur le côté pression de la garniture, dans une position adjacente à la face latérale 18, et disposé perpendiculairement å cette face latérale 18. Le collet 20 a pour fonction de stabiliser la bague dsétancheio té 11. Un espace 40 est délimité par la face latérale 18, le collet 20 et la paroi de la gorge 16. La périphérie extérieure de la bague d'étanchéité 11 est définie par quatre surfaces contigus7 à savoir les surfaces 22, 24, 46 et 30. La surface 22 est à profil semiecirculaire et elle forme l'extrémité la plus extérieure de la bague d'étanchéité 11. La surface 24 est contiguë à la surface 22 et diver- ge de cette surface 22 en formant un angle compris entre 10 et 40a avec le rayon.de la bague d'étanchéité 11. L'angle préféré est de 150. La surface 24 est contiguë à la surface courbe 46 qui, à son tour, est contiguë a la surface 30. La surface 30 définit la surface périphérique externe d'un collet 26 de la bague d'étanchéité ll qui s'étend axialement en partant du côté libre de pression de la garniture d'étanchéité.Le collet 26 est beaucoup plus grand que le collet 20, qui est situé sur le coté pression de la garniture. L'épaisseur axiale de la garniture d'étanchéité 10 estainférieure à la largeur de la gorge lg, en laissant de cette façon un espace rectangulaire 42 sur le côté libre de pression de la garniture d'étanchéité, cet espace étant défini par la surface radiale 48 du collet 26 et la paroi de la gorge 16. Les angles inférieurs de la gorge 16 peuvent eAtre arrondis. La bague d'appui 12 est disposée radialement à ltex- térieur du collet 26, sur le co*é libre de pression de la garniture. La bague d'appui 12 est de section trapézoidale et pré- sente des faces latérales non parallèles. Une paroi latérale 32 orientée radialement s'appuie contre la paroi de la gorge 16. Une face latérale inclinée 34 est inclinée vers l'intérieur en formant un angle compris entre 200 et 40Q avec le rayon de la bague d'appui 12 L'angle préféré est de 300. Un espace 36 de forme triangulaire est défini par les surfaces 24 et 46 de la bague d'étanchéité ll et par la face latérale inclinée 34 de la bague d'appui 12. Le diamètre extérieur de la bague d'étanchéité 11 est plus grand que celui de la bague d'appui 12, de sorte que la saillie 44 de la bague d'étanchéité 11, qui est définie par la surface semi-circulaire 22, s'étend au-delà de la surface périphérique extérieure 13 de la bague d'étanchéité 12. Le vo- lume de la saillie 44 doit être inférieur å la somme des volumes de espace triangulaire 36 et de l'espace rectangulaire 42. Lorsque le piston 14 est monté, de sorte que la garniture d'étanchéité 10 est en contact avec la paroi 38 du cylindre, la bague d'étanchéité 11 se déforme pour prendre la forme représentée sur la Fig. 3. La bague d'étanchéité 11 a été déformée de telle manière que sa surface 24 se bombe dans l'espace triangulaire 36. L'espace triangulaire 36 se rétrécit mais conserve une forme triangulaire. La face latérale 18 de la bague d'étanchéité se bombe dans l'espace 40. 2 Lorsqu'unie pression d'environ 35 kg/cm est appli- quée au piston 14, la bague d'étanchéité 11 se déforme pour prendre la forme représentée à la Fig. 4. La bague d'étanchéité 11 se bombe dans les espaces 36 et 40. Cette déformation de la bague d'étanchéité 1ï tend à repousser la bague d'appui 12 radialement vers ltextérieur pour l'appliquer à joint étanche contre la paroi cylindrique 38. L'espace triangulaire 36 a disparu tandis que espace 40 situé sur le côté pression de la garniture a été très élargi. L'espace 42 est maintenant très petit. Lorsque la basse pression est rétablie, la garniture d'étanchéité revient à la configuration représentée sur la Fig.3. La bague d'étanchéité peut être composée d'une matière beaucoup plus tendre que celle de la bague d'appui. L'intervalle de dureté pouvant être adopté s'étend d'environ 600 à environ 900 au duromètre. La matière préférée pour la bague d'étanchéité 11 est un caoutchouc élastique. La bague d'appui 12 doit être composée d'une matière à faible coefficient de frottement qui ntest pas dure et rigide mais au contraire légèrement élastique. Le polytrifluoroéthylène pur ou chargé, vendu sous la marque commerciale "TEFLON" est particulièrement bien approprié pour la bague d'étanchéité 12. La Fig. 5 est un graphique représentant le frottement linéaire en fonction de la pression du fluide pour divers joints à fluides. Le frottement est exprimé en Kg de traînée axiale pour une tige de 41,175 mm de diamètre, degré de finition 8/16 moyenne quadratique. Les valeurs représentées sont calculées à partir de formules connues et publiées. La courbe A représente le cas d'une bague torique standard en caoutchouc de la taille -326. La courbe B représente le cas de la même bague torique, en supposant qu'elle perd progressivement son con tact avec la tige au fur et à mesure de l'accroissement de la pression intérieure, comme ce serait le cas avec la garniture d'étanchéité pour fluides selon l'invention. Cette courbe est 2 hypothétique, et elle arrive à zéro à 35 kg/cm2. La courbe C est la courbe de frottement en fonction de la pression publiée pour une garniture d'étanchéité composée d'une bague torique à coiffe en "TEFLON" par la Société Shamban Company, pour sa garniture connue sous la désignation de "glyd ring". La courbe D est la résultante calculée des courbes B et C et représente le cas de la présente invention. Bien que la garniture d'étanchéité soit décrite et représentée montée dans la gorge d'un piston 14, cette garniture d'étanchéité pourrait être placée dans une gorge ménagée dans la paroi 38 du cylindre. R E V E N D I C A T I O N S 1 - Garniture d'étanchéité destinée à être utilisée entre un élément intérieur (14) et un élément extérieur (38) mobiles l'un par rapport à l'autre, l'un (14) des éléments présentant une gorge circonférentielle (16) définie par des parois radiales espacées et destinées à retenir la garniture d'étanchéité (10), cette garniture étant caractérisée en ce qu'elle comprend : a) une bague d'étanchéité annulaire (11) faite d'une matière élastiquement déformable possédant une dureté comprise dans l'intervalle d'environ 600 à environ 900 au duromètre, pour réaliser un joint aux basses pressions et une bague d'appui complémentaire (12), faite d'une matière à fai- ble coefficient de frottement, présentant une faible élasticité de manière à former un joint aux hautes pressions ; b) -ladite bague d'étanchéité (11) présentant deux surfaces latérales disposées radialement (18, 48), une première surface latérale (18) définissant le côté pression de la garniture et la deuxième face latérale (48) étant située de l'autre côté de la garniture, cette deuxième face latérale (48) étant définie par la surface radiale d'un collet axial (26) de ladite bague d'~étanX chéité (11), lesdites surfaces radiales étant adaptées pour coopèrer avec les parois de la gorge pour définir des espaces de forme générale rectangulaire (40, 423 , c) ladite bague d'étanchéité (11) ayant l'une de ses surfaces périphériques défini nie par quatre parties contiguë (22, 24, 30, 46) la première partie (22) étant de forme générale semi-circulaire, la deuxième me partie (24) étant une surface inclinée qui part de ladite première partie (22) m formant un angle compris entre 100 et 400 avec un rayon de ladite bague d'étanchéité (11), la troisième partie (30) étant une surface axiale dudit collet (26) et la quatrième partie (46) étant une surface courbe située à l'intersection entre la deuxième partie (24) et la troisième partie (30);; d) ladite bague d'étanchéité possédant à l'état détendu une épaisseur radiale supérieure å l'épais seur radiale de ladite bague d'appui (12), ladite bague dté- tanchéité (11) comportant une saillie qui s'étend au-delà d'un bord radial de ladite bague d'appui (12), cette saillie (44) étant définie par la partie semi-circulaire (22) de la surface périphérique de ladite bague d'étanchéité (11) ; e) ladite bague d'appui (12) étant de section trapézoïdale et étant disposée radialement à l'extérieur de la troisième partie (26) de ladite bague d'étanchéité (11), une face latérale (34) de la bague d'appui étant une surface inclinée vers l'intérieur en formant un angle compris entre 500 et 700 avec l'axe de la bague d'appui et coopérant avec la deuxième et la quatrième parties (24, 46) de la surface périphérique de ladite bague d'étanchéité (11) pour définir un espace triangulaire (36), le sommet de cet espace triangulaire se trouvant à la périphérie de ladite garniture s f) ladite saillie (44) de ladite bague d'étanchéité (11) ayant un volume inférieur à la somme. des volumes dudit espace rectangulaire (42) et dudit espace triangulaire (36). 2 - Garniture d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisée en ce que le coté pression de la bague d'étanchéité (11) est défini par deux parties contiguës, la première partie étant disposée radialement et la deuxième partie étant constituée par un petit collet axial (20), beaucoup plus petit que le collet axial (26) situé sur le coté libre de pression de la garniture. 3 - Garniture d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un piston (14) coopère avec une paroi cylindrique (38) sous une hante pression, ledit piston (14) présentant une gorge circonférentielle (16) qui retirent ladite garniture (10), ladite bague d'étanchéité (11) se déformant dans le sens de la pression appliquée de manière aI remplir à peu près- totalement ledit espace rectangulaire (42) et à remplir totalement ledit espace triangulaire (36), en faisant dis paraître ce dernier, et de manière à tendre à repousser ladite bague d'appui radialement vers l'extérieur pour lEppliquer à joint étanche contre ladite paroi (38) du cylindre. 4 - Garniture d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite bague d'étanchéité (11) est com posée de caoutchouc et que la bague d'appui (12) est composée de "TEFLON". 5 - Garniture d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisée en ce que le niveau de pression auquel la partie basse pression de la garniture est efficace est inférieur à 2 environ 21 kg/cm et le niveau de pression auquel la partie haute pression de la garniture est efficace est au moins d'en 2 viron 35 kg/cm