Brevet FR2558558A1 — publié le 19850726

-1- Baque d'étanchéité pour arbre rotatif La présente invention concerne une bague d'étanchéité pour arbre rotatif, constitué d'un boîtier et d'un anneau d'étanchéité annulaire fixé dans celui-ci et qui est cintré en direction du milieu à contenir, qui est constitué d'un matériau polymère, qui est en contact glissant par une surface d'étanchéité avec la pièce de machine en mouvement relatif, qui est limité par une surface de base entourant, à distance constante, l'arbre de rotation et qui est pourvu de nervures de torsion disposées sur celui-ci, ces nervures de torsion étant limitées sur leur face tournée vers la pièce de machine en mouvement relatif par une surface intérieure, qui constitue un prolongement continu de la surface d'étanchéité. Une bague d'étanchéité radiale pour arbre de ce genre est décrit dans le brevet DE-PS 31 50 472. Les nervures de torsion constituant un prolongement continu du profil de l'anneau d'étanchéité présentent toutefois des déformations importantes après une durée de service relativement courte, ce qui réduit l'efficacité de l'étanchéité, qui est pourtant excellente, avec la bague d'étanchéité à l'état neuf. Le brevet DE-PS 711 737 se rapporte à une bague d'étan- chéité pour arbre rotatif dans lequel la lèvre d'étan- chéité présente un profil pourvu d'une arête tran- chante orientée vers le milieu à contenir. Une utilisa- tion en vue d'assurer l'étanchéité des arbres à rotation rapide n'est pas possible. Dans ces cas, il se produit une destruction thermique rapide de la lèvre d'étanchéité. La présente invention a pour objet de perfectionner une 1 bague d'étanchéité du type mentionné ci-dessus, de façon à ce que les déformations des nervu- res de torsion nuisant au fonctionnement ne se produisent plus. La bague d'étanchéité doit pouvoir être utilisée,en particulier, pour assurer 1' étanchéité des arbres à ro- tation rapide. Ce résultat est atteint, conformément à l'invention, au moyen d'une bague d'étanchéité du type mentionné ci-dessus, par le fait que les nervures de torsion sont limitées du côté opposé à la surface intéri- eure par une surface extérieure, et que la distance en- tre la surface intérieure et la surface extérieure dimi- nue de plus en plus avec l'éloignement croissant de la surface de base, du moins dans la zone en saillie. La surface intérieure des nervures de torsion peut être disposée avec un petit angle par rapport à la surface de l'arbre dont il faut assurer l'étanchéité, tant pour la bague d'étanchéité proposée confor - mément à l'invention que pour celui suivant le brevet DE-PS 31 50 472. Comme dans le cas de l'exécution con- forme à l'état actuel de la technique, aucun talon n'e- xiste donc entre la surface intérieure des nervures de torsion et la surface d'étanchéité proprement dite. Les surfaces latérales des nervures de torsion s'éten- dant plus ou moins parallèlement à l'arbre de rotation présentent en effet,dans l'exécution proposée, une section se rétrécissant, du moins dans la zone en saillie. Le film de liquide provenant du milieu à con- tenir est donc arraché de celui-ci d'une manière uni- forme, sauf un faible résidu, sans que ceci ne provo- que l'action d'une force plus importante sur les ner- vures de torsion proprement dites. Des déformations notables des nervuresde torsion n'ont pas été observées, vraisemblablement pour ce motif, même après une durée de fonctionnement prolongée et avec une vitesse de rota- tion de plus de 3.000 t/m. L'anneau d'étanchéité de la bague d'étanchéité radiale pour arbre ainsi proposé a généralement, pour des rai- sons de fabrication, la forme d'un disque plat et annulai- re, qui est cintré en direction du milieu à contenir dans la zone du périmètre intérieur ou du périmètre exté- rieur et qui est en contact glissant, par la surface d'étanchéité, avec l'élément de machine dont il faut assurer l'étanchéité. L'obtention d'un cintrage de ce genre exige une phase de fabrication séparée. Celle-ci peut être éliminée si l'élément d'étanchéité reçoit,dès sa fabrication, une forme correspondant essentiellement à la disposition au montage. La méthode la plus avantageuse à ce propos s'est avérée être le tronçonnage de l'élément d'étanchéité, sous for- me d'un cône creux provenant d'un tube en rotation. L'é- lément d'étanchéité peut alors être bloqué dans le boî- tier correspondant entre les faces de serrage radiales ou axiales,sans difficulté particulière et dans la zone de son diamètre intérieur ou extérieur, sans qu'une opé- ration préalable de déformation ne soit nécessaire. Le cintrage se produit ensuite de lui-même, lorsque l'an- neau d'étanchéité est déformé élastiquement pendant le montage dans la zone de sa surface d'étanchéité. Les nervures de torsion peuvent être disposées à n'im- porte quel moment au cours de la fabrication de l'anneau d'étanchéité. Elles s'obtiennent d'elles-mêmes lorsque l'anneau d'étanchéité est tronçonné sous forme d'un cône creux, à partir d'un tube en rotation, qui est pourvu 1 sur sa face extérieure ou intérieure de nervures dispo- sées parallèlement à son axe et de forme appropriée.Un tube de ce genre peut être produit relativement facile- ment. Les cônes creux ainsi obtenus doivent être toute- fois retournés vers l'intérieur afin de garantir que la surface intérieure des nervures de torsion constitue réellement un prolongement continu de la surface d'étan- chéité. Les types de caoutchouc et de PTFE utilisés pour cette application permettent de réaliser un tel retrousse- ment, sans sollicitation excessive du matériau et à un prix intéressant. Les cylindres creux,avec une épaisseur de paroi faible et uniforme sont, en particulier, très facile à traiter et satisfont sans problème aux exigen- ces posées. Ils facilitent le processus de fabrication des anneaux d'étanchéité radiaux pour arbres du type propose. La distance entre la surface intérieure et la surface extérieure des nervures de torsion doit diminuer de façon constante, dans la mesure du possible, afin de maintenir aussi uniforme que possible la sollicitation statique des surfaces latérales sur toute leur longueur. En outre, les surfaces latérales peuvent être arrondies vers l'in- térieur, afin de réduire, dans toute la mesure du possi- ble, les turbulences du film liquide au cours du proces- sus d'arrachement de celui-ci. Les surfaces intérieures et extérieures des nervures de torsion doivent présenter entre elles un angle de 10 à 60 et, de préférence, un angle de 30 à 450. Si l'angle est inférieur à 10 , la résistance mécanique des nervures de torsion laisse à désirer, avec tous les matériaux disponibles et, en particulier, dans la zone en saillie. Des déformations indésirables des nervures de torsion peuvent alors en résulter. 1 Si l'angle est supérieur à 60 , il se produit de fortes turbulences dans le fluide à contenir au contact des faces latérales, avec pour conséquence de fortes vibra- tions des nervures de torsion. La qualité de l'étanchéi- té est moins satisfaisante dans ce cas. La surface intérieure et la surface extérieure des nervu- res de torsion doivent former ensemble une arête tranchan- te, dans toute la mesure du possible, c'est-à-dire que le bord tourné vers le fluide à contenir doit pouvoir fonctionner comme arête tranchante tout en ayant une ré- sistance appropriée. L'anneau d'étanchéité présente à cet effet,et en tout cas également dans la zone du bord, un certain prolongement radial qui ne dépasse toutefois généralement pas 0,5 mm avec le PTFE et 0,8 mm avec le caoutchouc. Le film de liquide s'écoulant continuellement sur la surface de l'élément de machine dont il faut assurer l'étanchéité,est arraché dans ce cas d'une manière uni- forme, une faible partie du volume total suivant la sur- face de l'élément de machine dont il faut assurer l'é- tanchéité dans le sens de la surface d'étanchéité et y assurant une bonne lubrification, tandis que la majeu- re partie du volume est évacuée par la surface extéri- eure des nervures de torsion et est ramenée dans l'encein- te rendue étanche. La zone d'étanchéité proprement dite n'est pas influencée de ce fait. Celle-ci est également peu sollicitée d'un point de vue hydrostatique. L'évacuation hors de la zone d'étanchéité proprement dite du volume de liquide mentionné en dernier lieu est favorisée si la surface de base est inclinée dans le même sens de rotation par rapport à la surface intérieu- re que la surface extérieure dans la zone en saillie. 1 Une inversion spontanée du sens d'écoulement du volume du liquide ainsi dévié est réalisée de cette manière,en particulier lorsque la surface de base et la surface extérieure forment, dans leur zone en saillie, un angle d'inclinaison identique avec la surface intérieure. Une exécution conforme à ce principe implique que la surfa- ce extérieure s'étende parallèlement à la surface inté- rieure dans la zone avoisinant la surface de base et soit interrompue. La réalisation technique est toutefois relativement simple si l'anneau d'étanché- ité est tronçonné en forme de cône creux à partir d'un tube qui est pourvu de nervures réparties régulièrement sur la périphérie et disposées parallèlement à l'axe sur sa surface extérieure ou intérieure, et si l'anneau d'étanchéité est retroussé en direction du fluide à con- tenir avant ou après sa fixation dans le bottier corres- pondant. Le cône creux obtenu ainsi présente un certain cintra- ge de son profil. L'adaptation élastique de la surface d'étanchéité à l'élément de machine à rendre étanche est facilitée de ce fait. La bague d'étanchéité radiai pour arbre ainsi proposée se caractérise par une absence d'usure presque totale, un effet de polissage sans enlèvement notable de matiè- re se produisant généralement du côté de l'élément de machine rendu dynamiquement étanche. Il ne se produit pas de dépôt dans la zone d'étanchéité dynamique et des vitesses de rotation élevées ou variant fréquemment sont nettement sans influence sur la sécurité de fonc- tionnement visée. Le faible serrage des surfaces d'étan- chéité assure d'ailleurs une excellentesouplesse de fonctionnement. -7Les dessins reproduits en annexe se rapportent à des exécutions données à titre d'exemple de la bague d'étan- chéité proposée conformément à la présente invention. La figure 1 représente un anneau d'étanchéité radial pour arbre, dans lequel la surface d'étan- chéité est au contact de la surface d'un arbre cylindrique. La figure 2 représente une exécution dans laquelle la surface d'étanchéité est au contact d'une surface conique montée sur l'arbre. La figure 3 représente une exécution dans laquelle la surface d'étanchéité est au contact d'une surface tournant avec l'arbre et s'étendant dans une direction transversale. La bague d'étanchéité radiale pour arbre rotatif repré- senté à la figure 1 est constituée du boîtier 1 en matière plastique et de l'anneau d'étanchéité 2 en PTFE, qui y est serré. Le boitier 1 est réalisé en polypropylèenie. Il présente deux branches tournées radialement vers l'intérieur, disposées de part et d'autre du flasque de l'anneau d'étanchéité dirigé radialement vers l'extérieur et qui le maintiennent entre elles d'une manière étanche. L'anneau d'étanchéité 2 est constitué d'un disque en PTFE initialement de forme plate, qui est tiré ensuite vers l'avant dans sa partie intérieure, en direction du milieu à contenir et qui est au contact de l'élément de machine 4 à rendre étanche, dans le cas présent à la périphérie extérieure d'un arbre dans la zone de la surface d'étan- chéité 3. L'extrémité de la surface d'étanchéité 3 tournée vers le milieu à contenir détermine également la position de la surface de base 7. Celleci est disposée perpendiculairement au prolongement de la surface d'étanchéité 3 et constitue la base des nervures de torsion 8. Celles-ci sont réparties régulièrement à la périphérie. Elles sont constituées par des saillies s'étendant en direction du milieu à contenir et sont formées d'une pièce avec le corps et dans le même matériau que l'anneau d'étanchéité 2. La surface intérieure 5 des nervures de torsion 8 s'écarte de plus en plus de la surface de l'arbre 4 à rendre étanche, au fur et à mesure qu'on s'éloigne de la surface de base 7. La plus grande distance est, toutefois, extrêmement faible et ne dépasse pas, même après une durée de fonctionnement prolongée, une valeur de quelques dixièmes de mm. La distance entre la surface extérieure 6 des nervures de torsion et la surface intérieure 5 diminue de plus en plus au fur et à mesure qu'on s'éloigne de la surface de base 7. Celle-ci assure la séparation de la majeure partie du film de liquide s'écoulant sur la surface de l'arbre à rendre étanche et ce liquide est ramené dans l'enceinte à rendre étanche. Cette partie importante du film de liquide ne peut exercer, par conséquent, aucune force sur les surfaces latérales des nervures de torsion 8 et ne peut donc les déformer. Toutefois, une lubrification excellente de la zone d'étanchéité dynamique est assurée à tout moment dans la région de la surface d'étanchéité 3. 1 Les surfaces latérales des nervures de torsion 8 peuvent s'étendre en direction radiale, ce qui permet une fabri- cation particulièrement simple. Des exécutions cintrées sont toutefois possibles sans difficulté. Les avantages qui en résultent ne peuvent toutefois être obtenus que moyennant des frais de fabrication sensiblement plus élevés, ce qui n'est acceptable que dans de rares cas, d'un point de vue économique. La bague d'étanchéité représentée à la figure 2 assure l'étanchéité de l'élément de machine 9 par rapport à l'élément de machine 4, en mouvement de rotation relatif. La bague d'étanchéité est constituée du boîtier 1, qui est monté d'une manière statiquement étanche dans un alésage de l'élément de machine 9 et de l'anneau d'étanchéité qui est en contact glissant avec la surface de l'élément de machine 4 en mouvement relatif. Le boîtier 1 et l'anneau d'étanchéité 2 sont fixés l'un à l'autre d'une manière étanche aux liqui- des. Le bottier 1 est réalisé en matière plastique. Il est disposé immédiatement sur la partie postérieure de l'an- neau d'étanchéité 2. L'anneau d'étanchéité 2 est constitué d'une douille tu- bulaire en caoutchouc, qui est dilatée élastiquement en direction radiale dans la zone de la surface conique à rendre étanche. Elle est au contact de la surface co- nique dans la zone de la surface d'étanchéité 3, qui caractérise également, pour sa part, la disposition spa- tiale de la surface de base 7, tout comme dans l'exécu- tion suivant figure 1 décrite ci-dessus. La surface de -10- base ne s'étend donc pas perpendiculairement vers la surface de l'anneau d'étanchéité 2 mais présente, pour un écartement croissant par rapport à la surface d'étanchéité 3, une pente conique, en direction du bottier 1, ce qui facilite la déviation vers l'enceinte à rendre étanche du volume de liquide arraché par les nervures de torsion 8. Les nervures de torsion 8 sont constituées, dans ce cas également, de saillies en forme de doigt réparties uniformément à la périphérie de l'anneau d'étanchéité 2 et qui sont limitées par des surfaces latérales s'éten- dant parallèlement à l'axe en direction radiale. La surface intérieure 5 s'écarte de plus en plus de la surface à rendre étanche de l'élément de machine 4, au fur et à mesure qu'on s'éloigne de la surface d'étanchéité 3, sans toutefois qu'une valeur maximale de quelques dixièmes de mm. ne soit dépassée, même après une durée de fonctionnement prolongée. La distance entre la surface intérieure 5 et la surface extérieure 6 des nervures de torsion diminue également dans ce cas au fur et à mesure qu'on s'éloigne de la surface de base 7. La surface intérieure 5 et la surface extérieure 6 des nervures de torsion forment ensemble une arête tranchante. La bague d'étanchéité suivant figure 3 assure l'étan- chéité de l'élément de machine 9 par rapport à une surface s'étendant radialement de l'élément de machine 4 tournant avec l'arbre à rendre étanche. La bague d'étanchéité est constituée du bottier 1 et de l'anneau d'étanchéité 2. Tous deux sont assemblés en une pièce. Le bottier 1 est réalisé dans ce cas également en matière plastique, il est étan- 1 che aux liquides et est serré sans possibilité de pivote- ment dans l'alésage de montage de l'élément de machine 9 et il est adapté directement sur la partie postérieure de l'anneau d'étanchéité 2. Ce dernier est réalisé en forme de cône creux et présente un diamètre extérieur augmenté élastiquement dans la zone proche de l'élément de machine 4 en mouvement relatif. Le contact proprement dit entre l'anneau d'étanchéité 2 et l'élément de machine à mouvement relatif est limité à la surface d'étanchéité 3 proprement dite. L'extrémité de la surface d'étanchéité 3 tournée vers le milieu à contenir détermine la posi- tion de la surface de base 7. Celle-ci se trouve sur la face tournée vers l'élément de machine en mouvement relatif à l'endroit indiqué et forme avec la surface d'étanchéi- té un angle de 40 . La surface de base constitue égale- ment la base des nervures de torsion 8, qui sont limitées en position de fonctionnement,comme représenté, par des surfaces latérales s'étendant en direction radiale. La surface extérieure 6 des nervures de torsion 8 est inter- rompue environ dans la zone centrale. Elle s'étend essentiellement parallèlement à la surface intérieure 5 dans la zone postérieure avoisinant directe- ment la surface de base 7 et s'étend,par contre,parallè- lement à l'orientation de la surface de base 7 dans la partie antérieure. La surface extérieure et la surface intérieure présentent donc, dans ce cas également, une intersection à l'extrémi- té antérieure des nervures de torsion, qui a la forme d'une arête tranchante. Ceci favorise l'arrachement uni- forme du film de liquide superflu de la surface de l'élé- ment de machine 4 à rendre étanche. En outre, cette dis- position procure des avantages appréciables du point de vue de la fabrication. 1 La fabrication de l'anneau d'étanchéité 2 utilisé à la figure 3 peut se réaliser d'une manière particulièrement simple, en tronçonnant les ébauches nécessaires en for- me de cônes creux hors d'un tube qui est pourvu, sur la face extérieure, de nervures parallèles à l'axe et cor- respondant aux nervures de torsion nécessaires. Les ébau- ches ainsi obtenues sont ensuite retournéessur elles- même et fixées dans le boitier 1 correspondant, de la manière représentée à la figure 3. Ceci peut s'effectuer sans difficulté importante. Les tubes nécessaires peuvent être produits facilement et avec une qualité uniforme. Le placement séparé des nervures de torsion sur les an- neaux d'étanchéité de chaque anneau d'étanchéité radial pour arbre devient donc superflu. -13- REVENDICATIONS 1. Bague d'étanchéité pour arbre rotatif, constitué d'un bottier et d'un anneau d'étanchéité annulaire fixé dans celui-ci et qui est cintré en direction du milieu à contenir, qui est constitué d'un matériau polymère qui est en contact glissant par une surface d'étanchéité avec la pièce de machine en mouvement relatif, qui est limité par une surface de base 9 entourant l'arbre en rotation à distance constante, et qui est pourvu de nervures de torsion disposées sur celui-ci, ces nervures de torsion étant limitées du côté tourné vers l'élément de machine à mouvement relatif par une surface intérieure qui constitue un prolongement continu de la surface d'étanchéité, caractérisée en ce que les nervures de torsion (8) sont limitées du côté opposé à la surface intérieure (5) par une surface extérieure (6) et en ce que la distance entre la surface intérieure (1) et la surface extérieure diminue, au moins dans la zone en saillie des nervures de torsion (8) avec l'éloignement croissant de la surface de base (7). 2. Bague d'étanchéité selon la revendication 1, carac- térisée en ce que la distance entre la surface intérieure (5) et la surface extérieure (6) diminue de façon continue avec l'éloignement croissant de la surface de base (7). 3. Bague d'étanchéité selon la revendication 2, caractérisée en ce que la surface intérieure (5) et la surface extérieure (6) forment au moins dans la zone en saillie, un angle compris entre 100 et 60. 4. Bague d'étanchéité selon la revendication 3, caractérisée en ce que la surface intérieure (5) -14- et la surface extérieure (6) forment au moins dans la zone en saillie, un angle compris entre et 45 . 5. Bague d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la surface intérieure (5) et la surface extérieure (6) se délimitent mutuellement. 6. Bague d'étanchéité selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 5, caractérisée en ce que la surface de base (7) est inclinée par rapport à la surface intérieure (5) dans le même sens de rotation que la surface extérieure (6) dans la zone en saillie. 7. Bague d'étanchéité selon la revendication 6, caractérisée en ce que la surface de base (7) et la surface extérieure (6) s'étendent parallèlement l'une à l'autre dans leur zone en saillie. 8. Procédé de fabrication d'une bague d'étanchéité selon la revendication 7, dans lequel l'anneau d'étanchéité est tronçonné en forme circulaire à partir d'un tube en rotation, en matériau poly- mère et est fixé dans un bottier, caractérisé en ce que l'anneau d'étanchéité (2) est tronçonné en forme de cône creux hors d'un tube qui est pourvu, sur sa surface intérieure ou extérieure, de nervures réparties régulièrement à la périphérie et s'étendant parallèlement à l'axe, et en ce que l'anneau d'étanchéité est retourné en direction du milieu à contenir avant ou après sa fixation dans le bottier.