Brevet FR2542838A1 — publié le 19840921

ú 542838 La présente invention concerne de façon générale des joints pour canalisations de gaz d'échappement à hautes tempé- ratures et, plus précisément, un joint d'échappement dans lequel un treillis métallique comprimé est imprégné d'un oxyde métal- ligue réfractaire Le joint est destiné en particulier à des systèmes d'échappement de moteurs de véhicules. Il existe deux modes généraux de montage d'un moteur de voiture Dans l'un de ces modes, le moteur est monté de telle sorte que son vilebrequin s'étende longitudinalement par rapport à la carrosserie de la voiture (on parlera ici d'un moteur monté longitudinalement) Dans l'autre mode, le moteur est monté de telle manière que son vilebrequin soit dirigé transversalement par rapport à la carrosserie du véhicule (on parlera ciaprès d'un moteur monté transversalement) Cette dernière disposition est particulièrement utile pour des véhicules à traction avant. En ce qui concerne les systèmes d'échappement associés à ces moteurs, on comprendra aisément qu'un système d'échap- pement particulier, qui comprend un collecteur d'échappement raccordé au moteur et un tuyau d'échappement, aura une forme et une disposition variables selon l'orientation de montage du moteur par rapport au véhicule, c'est-à-dire selon que le moteur est longitudinal ou transversal. Par exemple, dans le cas d'un moteur monté longitudi- nalement, un tuyau d'échappement avant s'étend de haut en bas le long du moteur, à partir du collecteur d'échappement du moteur, et comporte ordinairement, à son extrémité ouverte qui regarde vers le bas, une bride pour son accouplement avec une bride correspondante sur un tuvau d'échappement arrière qui court au-dessous du véhicule Avec cette disposition, un joint d'étanchéité est d'habitude intercalé entre les brides assemblées, afin d'empêcher les fuites de gaz d'échappement vers l'extérieur, autour des brides accouplées Les mouvements du collecteur d'échappement, notamment ceux qui résultent du fonctionnement normal du moteur, sont entièrement transmis au tuyau d'échappement arrière par les brides accouplées. Les efforts dus aux mouvements du tuyau d'échappement arrière sont absorbés par des éléments de montage souples (également appelés brides de suspension) qui fixent le tuyau d'échappement arrière au plancher de la carrosserie du véhicule Par conséquent, les joints pour canalisations d'échappement typiques n'ont à absorber aucune de ces tensions et, pour cette raison, ils sont de structure relativement simple Un joint d'étanchéité typique, utilisé dans des applications à moteur monté longitudinalement, est fait de fonte et comporte des surfaces portantes coniques gui coopèrent avec les surfaces des brides pour assurer une bonne étanchéité D'autres joints d'étanchéité pour ces applications utilisent une structure stratifiée comprenant de l'amiante et de la tôle d'acier perforée Il existe encore d'autres joints d'étanchéité clas- sigues qui comprennent du fil d'amiante imprégné, tricoté à l'intérieur d'un treillis métallique, ces matériaux étant comprimés ensemble pour former le joint d'étanchéité Dans certains cas, il n'est fait usage d'aucun joint d'étanchéité, les brides elles-mêmes constituant un joint étanche lorsqu'elles sont accouplées. Par contre, les moteurs montés transversalement posent un problème plus difficile à résoudre Ordinairement, le tuyau d'échappement avant s'étend de haut en bas le long du moteur et comporte une bride à son extrémité ouverte qui regarde généralement vers le bas elle aussi Toutefois, les mouvements résultant du fonctionnement normal du moteur et dus à la force vive rotatoire du vilebrequin, à laquelle s'oppose les efforts de torsion de l'arbre de transmission, font que la bride du tuyau d'échappement avant effectue un mouvement de va-et-vient tel que l'axe central du tuyau, qui est perpendi- culaire au plan de la bride, s'écarte d'une ligne sensiblement verticale et s'incline alternativement vers l'avant et vers l'arrière du véhicule Il est nécessaire d'utiliser un joint flexible entre le collecteur d'échappement et le tuyau d'échap- pement arrière, pour absorber ce mouvement: autrement celui-ci serait communiqué directement au tuyau d'échappement arrière, ce qui provoquerait des efforts et des déformations inaccepta- bles De tels efforts et déformations peuvent être à l'origine de fatigue du métal et accélérer la rupture du tuyau d'échappe- ment Un bruit excessif peut être également produit par les vibrations créées par les inversions d'efforts. On comprendra donc aisément que, dans le cas d'un moteur monté transversalement, la garniture d'échappement dans le joint flexible doit être en mesure de permettre un certain degré de rotation relative entre les tuyaux d'échappe- ment avant et arrière, tout en maintenant une bonne étanchéité à l'égard des gaz d'échappement Les garnitures d'étanchéité à l'échappement qui sont valables avec les moteurs montés longitudinalement sont à déconseiller dans des véhicules équipés de moteurs montés transversalement, car elles ne peuvent pas résister au mouvement de rotation relatif et aux efforts que l'on observe dans les joints flexibles de conduites d'échappement utilisés sur ces derniers -Un exemple de joint du type "sphérique" pour un moteur monté transversa- lement est décrit dans le brevet des Etats-Unis N O 4 097 071, délivré le 27 juin 1978 et intitulé "Accouplement flexible d'échappement". Dans les systèmes d'échappement de véhicules, on utilise actuellement des garnitures de treillis tricoté et comprimé pour rendre étanches les passages des gaz d'échappement du joint sphérique du système d'échappement d'un moteur monté transversalement Ces garnitures connues utilisent lesmaté- riaux suivants: ( 1) des feuilles de graphite associées à des treillis métalliques tricotés; ( 2) du papier-mica reconstitué, associé à un treillis métallique tricoté; ou ( 3) du fil d'amian- te tricoté en parallèle avec du fil métallique. Les garnitures fabriquées à partir de ces matériaux reçoivent leur forme et leurs dimensions définitives par compression dans des matrices jusqu'à une densité élevée. Les parties non métalliques de chaque garniture et les parties faites de fil métallique se déforment mutuellement et s'entre- mêlent, pour donner une garniture d'étanchéité-robuste, durable, élastique et résistante à l'oxydation, qui répond aux exigences imposées à un bon joint d'échappement. A l'heure actuelle, les services de défense de l'environ- nement du Gouvernement des Etats-Unis sont en train de rendre plus sévères les normes de lutte contre la pollution pour les voitures et les camions L'une des techniques utilisées par les ingénieurs d'études pour réduite les taux de pollution consiste à élever la température des gaz d'échappement, par exemple au voisinage de 870 'C A ces températures élevées, tout le système d'échappement devient incandescent au rouge clair et toute garniture d'étanchéité, quelle que soit sa structure parmi les trois qui ont été citées ci-dessus, peut faire défaut, du fait que les températures maximales admissi- bles de service pour les parties non métalliques du joint sont dépassées Par exemple, le graphite camnnceà s'oxydera 370 'C environ, l'amiante subit une transformation chimique destruc- tive à 6500 C et certaines formes de mica commencent à s'altérer aux environs de 7600 C. En conséquence, l'un des buts de l'invention est de fournir un joint pour conduites de gaz d'échappement qui résiste aux températures plus élevées des gaz d'échappement, produites en conséquence des efforts visant à abaisser les taux de pollution des gaz d'échappement. Un autre but de l'invention est de fournir un tel joint qui soit fabriqué en fil métallique tricoté et comprimé, et qui soit imprégné d'un oxyde métallique réfractaire. L'invention a pour but particulier de fournir un procédé d'après lequel l'oxyde métallique réfractaire est mis en suspen- sion dans l'eau ou dans un solvant volatil, avec un liant résineux et des agents mouillants appropriés, pour former une solution liquide homogène, ayant une viscosité et une teneur en matières solidesappropriéespourqu'ellepuisse servir de produit d'imprégna- tion pour un élément de treillis métallique tricoté comprimé. D'après un aspect particulier de l'invention, un manchon de treillis métallique tricoté est d'abord mis sous forme d'une ébauche cylindrique et comprimé dans une matrice de compression, la densité du treillis métallique tricoté comprimé étant rendue aussi élevée que cela est possible pratiquement, de préférence, dans la gamme de 40 à 70 % de la densité du métal massif, ce qui donne une structure dans laquelle les fils métalliques sont écrasés et entremêlés, des vides subsistant entre ces fils métalliques La forme définitive, les dimensions et l'intégrité structurelle du joint sont fixées par l'opé- ration de pressage Le fil métallique peut être en un quelconque acier inoxydable ou alliage métallique, capable de résister aux hautes températures et aux conditions corrosives, par exemple en acier inoxydable type 309 (SS), type 316 SS ou en Inconel 600. Le treillis métallique tricoté comprimé est ensuite imprégné d'un oxyde métallique réfractaire, soit en trempant le treillis métallique tricoté comprimé dans l'oxyde métallique réfractaire qui est en suspension dans un liquide d'imprégnation approprié, soit en introduisant de force le liquide qui contient l'oxyde métallique réfractaire dans les vides de la structure à mailles. L'oxyde métallique réfractaire peut être par exemple l'oxyde de titane Le treillis métallique tricoté et l'oxyde métallique réfractaire sont ensuite séchés Une ou plusieurs opérations d'imprégnation peuvent être effectuées, selon les besoins, pour remplir suffisamment les vides du treillis métallique tricoté. Outre qu'il remplit sa fonction à une température plus élevée que les joints d'échappement antérieurs, le joint d'échappement suivant l'invention présenteune grande élasticité qui le rend particulièrement approprié à l'usage dans des accouplements flexibles pour des véhicules équipés de moteurs montés transversalement Cette élasticité permet au joint d'absorber un degré élevé d'efforts de rotation, lorsqu'il est en place dans l'accouplement flexible, tout en maintenant une bonne étanchéité à l'égard dès gaz d'échappement qui passent à travers les deux tuyaux assemblés. D'autres avantages, relatifs au joint d'échappement suivant la présente invention, apparaîtront à la lecture de la descrip- tion détaillée de ce joint, donnée ci-après en référence aux dessins annexes. La fig 1 est une vue en élévation frontale d'une ébauche de treillis métallique tricoté, formée en enroulant un manchon de treillis métallique tricoté La fig 2 est une vue en élévation de dessus de l'ébauche de treillis métallique tricoté de la fig 1. La fig 3 est une vue en élévation frontale de l'ébauche de treillis métallique tricoté, à la suite de sa compression dans une matrice de compression. La fig 4 est une vue en coupe partielle, faite suivant la ligne 4-4 de la fig 3 et en regardant dans le sens des flèches. La fig 5 est une vue en élévation frontale du joint, à la suite de son imprégnation avec un oxyde métallique réfractaire. La fig 6 est une vue en élévation de dessus du joint d'échappement représenté sur la fige 5. La fig 7 enfin est une vue en coupe, faite suivant la ligne 7-7 de la fig 6 et en regardant dans le sens des flèches. D'après l'invention, un joint d'échappement pour un système d'échappement de véhicule est obtenu en donnant par compression, à une ébauche de treillis métallique tricoté, les dimensions et la forme du joint final et en imprégnant le treillis métallique tricoté comprimé avec un oxyde métallique réfractaire. D'après ce qui est représenté sur les fig 1 et 2, une ébauche cylindrique 10 de treillis métallique tricoté est formée, par exemple en enroulant un manchon de treillis métal- lique tricoté autour d'un mandrin cylindrique Cinq spires ont été représentées sur la fig 2, mais le nombre des spires choisi peut être plus grand ou plus petit Les fils peuvent être en acier inoxydable type 309 SS, type 316 SS, en Inconel 600 ou en un autre métal approprié L'ébauche est placée dans une matrice de compression usuelle, non représentée, et comprimée à la forme d'un joint 12 de treillis métallique tricoté comprimé (fig 3, 4) Les fils du joint 12 de treillis métallique tricoté comprimé sont écrasés et entremêlés solidement Bien qu'il soit préférable de comprimer l'ébauche 10 de treillis métallique tricoté jusqu'à une densité aussi élevée que possible, la densité du joint 12 se situe dans la pratique dans la gamme de à 70 % de celle du métal, le volume restant étant occupé par les vides subsistant entre les fils de métal Puis le joint 12 de treillis métallique tricoté comprimé est imprégné d'un oxyde métallique réfractaire, pour former le joint imprégné 14 (fig 5, 6 et 7) L'oxyde métallique réfractaire remplit les vides du joint 12 de treillis métallique tricoté comprimé et il en revêt la surface intérieure 16, la surface extérieure 18 et les surfaces supérieure et inférieure 20, 22. Dans la forme de réalisation préférée de l'invention, l'oxyde métallique réfractaire est l'oxyde de titane, en suspension dans une solution liquide homogène Le joint 12 de treillis métallique tricoté comprimé est plongé dans la solution Le 1 S liquide pénètre dans les vides du treillis et revêt les surfaces du joint 12 Le joint 12 est extrait du liquide et on le laisse sécher à l'air ou on le sèche dans un four, pour obtenir le joint imprégné 14. Grâce à l'oxyde métallique réfractaire qui entre dans la fabrication du joint, on peut obtenir un joint imprégné 14 capable de remplir sa fonction à des températures voisines de 10900 C Le joint fortement comprimé constitue une matrice très robuste de fil métallique qui est capable de supporter toutes les forces de compression que l'on observe à l'usage dans un accouplement de tuyaux d'échappement Le joint 14 a un degré d'élasticité qui est précieux dans le système d'échappement d'automobiles, par le fait qu'il limite la transmission de vibrations et de bruits entre le moteur et le tuyau d'échap- pement en aval du joint. Dans le mode de réalisation préféré, de l'oxyde de titane est mis en suspension dans une solution d'eau/résine acrylique/ résine de polyester On considère que la résine sert de liant pour maintenir l'oxyde de titane dans la matrice de treillis métallique tricoté comprimé, avant l'exposition aux hautes températures qui règnent dans le système d'échappement du moteur: lors de cette exposition, les liants résineux se décomposent en cendres, sahi E-que cela affecte l'oxyde de titane qui est capable de supporter des températures au-delà du point de fusion de presque tout alliage métallique utilisé pour la partie treillis tricoté Outre la capture mécanique de l'oxyde de titane et des particules de cendres dans la matrice de treillis métallique tricoté, on peut penser qu'il s'établit, entre l'oxyde de titane et le fil tricoté, une liaison chimique qui est accélérée par la chaleur, par le fait que le chrome, qui es-t -un élément d'alliage principal de la plupart des aciers inoxydables, produit -une couche protectrice d'oxyde de chrome sur la surface Lorsque l'oxyde de titane et l'oxyde de chrome sont chauffés ensemble, les liaisons oxygène sont partagées, ce qui assure l'u/nion pkysique des deux oxydes. Voici un exemple particulier, illustrant en détail la fabrication d'un joint imprégné 14 Un treillis tricoté de fil- d'acier inoxydable type 309 A, de 0,280 mm de diamètre, sous forme de manchon de 63,75 mm de largeur, est coupé à une longueur de 91,8 cm On fabrique une ébauche en enroulant le treillis sur un mandrin de 46,4 mm de diamètre Cinq spires régulières sont formées L'extrémité est soudée par points pour maintenir l'ébauche afin de solliciter sa manipulation. L'ébauche est placée dans une matrice de compression, dont la cavité a les dimensions et la forme du joint fini voulu, et elle est comprimée sous une charge de 63,5 t, pour donner un joint de treillis métallique tricoté ayant une hauteur d'environ 12,7 mm, un diamètre extérieur de 64, 25 mm au point le plus large et un diamètre intérieur de 45,45 mm Le joint de treillis métallique tricoté est ensuite plongé dans la solution d'impré- gnation à l'oxyde métallique La solution d'imprégnation présente la formule de base suivante Pigments En poids Ti O 2 23,2 % Silicates 0,2 % Tétrachloro-isophtalonitrile 0,3 % Véhi'cule Résine de polyester 3,1 % Résine acrylique 16,9 % Solvant volatile (eau) 56,3 % Cette composition de base est vendue, sous le nom de Sears Best Weatherbeater House and Trim Acrylic Latex Patnt, Exterior Satin Finish, par Sears, Roebuck and Co. La composition de base est utilisée pour préparer la solution d'imprégnation, en la diluant avec 50 % d'eau, de manière à former une solution de 50 % de composition de base et de 50 % d'eau en volume Le joint de treillis métallique tricoté comprimé est plongé dans la solution d'imprégnation pendant secondes, puis on le laisse égoutter et sécher pendant 30 minutes à la température ambiante. Il a été décrit un mode de réalisation de l'invention qui est actuellement préféré, mais le spécialiste comprendra aisément que des modifications et variantes peuvent y être apportées, sans que l'on s'écarte pour autant de l'esprit et de la portée de l'invention, qui sont exposés dans les revendi- cations ci-annexées. REVENDICATIONS - 1 Joint d'étanchéité imprégné, comprenant un treillis métallique tricoté auquel ont été données par compression les dimensions et la forme désirée, caractérisé en ce que le fil du treillis métallique tricoté est solidement entremêlé de manière à donner au joint la densité et la rigidité structurelle suffisantes pour qu'il résiste aux efforts qui s'exercent sur lui à l'usage, des vides sont ménagés entre les fils, et un oxyde métallique réfractaire dont le treillis métallique tricoté est imprégné remplit les vides entre les fils et revêt la surface des fils. 2 Joint d'étanchéité selon la revendication 1, carac- térisé en ce que l'oxyde métallique est l'oxyde de titane. 3 Procédé de fabrication d'un joint d'étanchéité imprégné, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations former une ébauche cylindrique de treillis métallique tricoté; comprimer axialement cette ébauche, dans une matrice de compres- sion dont la cavité a les dimensions et la forme du joint final, de telle manière que les fils tricotés soient solidement entremêlés et que des vides soient ménagés entre les fils; immerger le treillis métallique tricoté comprimé dans une solution contenant un oxyde métallique réfractaire, de telle manière que l'oxyde métallique réfractaire revête les surfaces du treillis métallique tricoté et pénètre dans les vides entre les fils; et extraire le treillis métallique tricoté revêtu de la solution et le sécher pour former un joint d'étanchéité imprégné. 4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'oxyde métallique réfractaire est l'oxyde de titane.