Brevet FR2554900A1 — publié le 19850517

1i 2554900 L'invention concerne les joints mécaniques axiaux d'étanchéité. Des joints mécaniques axiaux d'étanchéité sont utilisés pour assurer l'étanchéité entre des organes tour- nant entre eux tels qu'un arbre et un bâti. Un élément d'étanchéité, le siège, est monté sur un premier organe de façon à être fixe dans la direction axiale de cet organe. Un second élément d'étanchéité, la garniture axiale du joint, est monté sur l'autre organe de façon à pouvoir se déplacer axialement sur celui-ci, et il est rappelé vers le siège afin que des surfaces opposées du siège et de la garniture axiale d'étanchéité portent l'une contre l'autre d'une manière étanche aux fluides. Pour permettre à la garniture axiale de se déplacer axialement par rapport à l'organe associé, des moyens secondaires d'étanchéité sont nécessaires entre cette garniture d'étanchéité et l'organe associé. Des moyens à ressort sont également nécessaires pour appliquer la charge axiale à la garniture de façon à la faire entrer en contact étanche avec le siège. L'efficacité de ce type de joint repose sur un équilibre très finement établi entre la charge appliquée aux garnitures d'étanchéité et l'amplitude de la charge pouvant être supportée par une pellicule de fluide lubri- fiant formée entre les faces d'étanchéité. Si la charge est trop importante, les sièges et la garniture d'étanchéité sont soumis à une usure rapide et, si elle est trop faible, le joint fuit. Les fonctions d'étanchéité secondaire et d'ap- plication d'une charge axiale peuvent être assurées par des moyens indépendants. Par exemple, les moyens d'étan- chéité secondaires peuvent se présenter sous la forme d'une bague torique en élastomère ou d'un coin d'étanchéité qui est interposé entre la garniture d'étanchéité et l'or- gane associé et qui se déplace avec la garniture. En varian- te, les moyens secondaires d'étanchéité peuvent être consti- tués par un dispositif à soufflet ou à diaphragme flexible qui est monté entre la garniture et l'organe associé afin de former une enveloppe étanche auxfluides permettant des mouvements relatifs entre la garniture et l'organe. La charge axiale peut être appliquée par un ou plusieurs ressorts de compression. Avec cette forme de réalisation, l'application de la charge nécessaire aux faces d'étanchéité ne pose aucun problème d'adaptation des moyens à ressort. Cependant, l'invention concerne des joints dans lesquels les moyens secondaires d'étanchéité et les moyens à ressort sont constitués par un seul élément, par exemple un dispositif à soufflet élastique ou à bague en élastomère. Avec cette forme de réalisation, les caracté- ristiques des moyens secondaires d'étanchéité et des moyens à ressort doivent correspoondre à un compromis entre la résistance demandée pour s'opposer à la différence de pression pouvant être appliquée à travers ces moyens et la raideur nécessaire pour établir la charge demandée entre les faces d'étanchéité. En conséquence, avec cette forme de joint, la charge axiale appliquée à la garniture d'étanchéité peut être trop grande, en particulier dans les conditions régnant au démarrage, lorsque la pression du fluide est insuffisante pour former une pellicule lubri- fiante convenable entre les faces d'étanchéité. On peut pallier à une situation de surcharge à court terme par l'utilisation de matières à faible frottement pour le siège et la garniture d'étanchéité. Cependant, de telles matières, par exemple du carbone, sont normalement relativement faibles par rapport à d'autres matières pouvant être utilisées pour former les éléments d'étanchéité, par exemple des matières réfractaires, et, de plus, elles ne conviennent pas à toutes les applications. La sensibilité du joint à la surcharge peut également être atténuée par un accroissement de la largeur des faces d'étanchéité. Cependant, si ies faces sont réa- lisées à une trop grande largeur, des problèmes de sur- chauffe apparaissent et peuvent entraîner une déformation thermique et une rupture de la pellicule lubrifiante. On a procédé à des essais pour résoudre ce problème en découpant partiellement la garniture d'étanchéité afin de favoriser la pénétration d'un fluide de refroidissement et la formation d'une pellicule. Cependant, les formes de réalisation ainsi conçues ont tendance à dévier, se déformer ou s'user, ce qui peut avoir pour résultat d'appli- quer la charge axiale aux zones interrompues, bien lubri- fiées, de la garniture d'étanchéité, ouvrant ainsi un cheminement continu dans l'étanchéité et entraînant une fuite du joint. De plus, dans des joints d'étanchéité mécaniques de certaines conceptions, en particulier ceux destinés à des arbres de grand diamètre, les éléments d'étanchéité sont conçus de manière à pouvoir se déformer lorsqu'ils sont soumis à une différence de pression, de façon à assurer un contact et une configuration souhaitables de la pellicule de fluide. Malheureusement, pour obtenir la déformation nécessaire, il faut limiter la largeur des faces d'étanchéité, à la suite de quoi la charge appli- quée aux faces est relativement grande et ces faces sont -20 sensibles aux surcharges. De plus, cette forme de joint ne convient pas à une utilisation avec certains fluides qui ne sont pas capables de pénétrer entre les faces d'étan- chéité et de former une pellicule de fluide sous une charge élevée appliquée aux faces. OConformément à un aspect de la présente inven- tion, un joint mécanique axial d'étanchéité, destiné à établir une obturation étanche aux fluides entredeux organes tournant entre eux, comprend un premier élément d'étanchéité associé à l'un des organes et fixe axialement par rapport à cet organe, un second élément d'étanchéité associé à l'autre organe et mobile axialement par rapport à cet autre organe, des moyens destinés à assurer l'étanchéité entre le second élément d'étanchéité et l'organe associé et à lui appliquer une charge axiale le faisant porter de manière étanche contre le premier élément d'étanchéité, et une butée axiale disposée parallèlement aux premier et second éléments d'étanchéité afin de réduire partiel- lementla charge appliquée à ces éléments d'étanchéité. Dans l'agencement décrit ci-dessus,- la butée axiale réduit la charge axiale et donc la sensibilité du joint aux surcharges. De plus, étant donné que les éléments d'étanchéité sont indépendants de la butée axiale, la face d'étanchéité peut être agencée de façon à se défor- mer et à établir un contact et une configuration de pelli- cule lubrifiante souhaitables, sans aucun des inconvénients des formes de réalisation utilisées jusqu'à présent. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: la figure 1 est une élévation avec coupe par- tielle d'un joint mécanique d'étanchéité selon l'inven- tion; la figure 2 est une coupe partielle suivant la ligne IIL-II de la figure 1; la figure 3 est une élévation partielle d'une forme de réalisation modifiée de la'butée axiale utilisée dans le joint représenté sur la figure I; et la figure 4 est une élévation avec coupe par- tielle d'une autre forme de réalisation du joint d'étan- chéité selon l'invention. Le joint représenté sur la figure 1 est monté entre un arbre 10 et un bâti 11 afin de former une obtura- tion étanche aux fluides au passage de l'arbre 10 à travers la paroi du bâti 11. Un siège annulaire 12 est fixé au bâti 11 au moyen de boulons 13 espacés en anneau,de manière que ce siège entoure l'arbre 10 à son passage à travers le bâti 11. Une bague 15 de caoutchouc est montée autour de l'arbre 10 et est serrée sur ce dernier par une bride 16 d'entraînement qui est formée de deux moitiés serrées l'une contre l'autre, autour de l'arbre 10 et d'une extré- mité de la bague 15, par deux boulons tangentiels. Une garniture annulaire axiale 17 d'étanchéité est montée à l'extrémité libre de la bague 15 de caoutchouc. Cette dernière est bridée sur l'arbre 10 dans une position espacée axialement du siège 12 de manière que, lorsque les surfaces opposées du siège 12 et de la garniture 17 d'étanchéité sont en contact étanche, la bague 15 de caoutchouc soit soumise à une compression axiale et applique une charge axiale à la garniture d'étanchéité 17. L'extrémité libre de la bague 15 de caoutchouc est fraisée de façon à être espacée radialement de l'arbre 10. Un anneau 18 d'appui est monté coaxialement à la garni- ture 17 d'étanchéité, sur l'extrémité libre de la bague 15, un rebord 19 de l'anneau 18 se logeant dans la partie fraisée ou contre-alésée de la bague 15. L'anneau 18 présente une extrémité crénelée qui est en contact avec le siège 12. L'anneau 18 est dimensionné de façon à dépasser légèrement plus vers l'avant de la bague 15 que la garniture d'étanchéité 17. La partie de la bague 15 butant contre l'anneau 18 est donc sous une compression supérieure à celle de la partie en butée avec la garniture d'étanchéité 17 et l'anneau 18 est ainsi chargé élastiquement en direction du siège 12 par rapport à la garniture 17. L'anneau 18 peut donc être agencé de façon à supporter une certaine proportion d'une charge appliquée par la bague 15. La proportion de la charge supportée par l'anneau 18 peut être modifiée suivant le degré de compression de la bague 15. L'anneau 18 se trouve à une certaine distance radiale de la garniture 17, vers l'intérieur de cette dernière, et un évidement 21 est également prévu dans l'anneau 18 de manière qu'il ne gêne pas une déformation ou une torsion de la garniture 17. Cette dernière peut donc être disposée de façon à se déformer ou tourner sous l'effet de la différence de pression appliquée à cette garniture de manière que la pellicule de fluide formée entre la garniture 17 et le siège 12 puisse être réglée pour s'adapter aux conditions prévalentes. Les créneaux formés dans la face 20 de l'anneau 18, qui est en contact avec le siège 12, permettent une circulation de fluide autour de la garniture 17 d'étanchéité de façon qu'une pellicule de fluide puisse se former en entre les faces d'étanchéité de la garniture 17 et du siège 12 et que ces faces puissent être refroidies. Les créneaux favorisent également la lubrification de la face 20 de l'anneau 18 à son contact avec le siège 12. On peut modifier la forme des créneaux de la face 20 en donnant une courbure à leurs faces d'usure afin d'améliorer encore la lubrification de ces surfaces, comme illustré sur la figure 3. En variante, d'autres moyens, par exemple des gorges, peuvent être prévus dans la face 20 pour favoriser la formation d'une pellicule de fluide de lubrification entre la face 20 et le siège 12. Dans la forme de réalisation illustrée sur la figure 4, la garniture d'étanchéité 17 est montée sur un anneau 25 de support. Cet anneau de support est monté sur l'arbre 10 au moyen, par exemple, d'un soufflet métal- lique élastique et flexible 26 qui forme un joint étanche aux fluides entre l'anneau 25 de support et l'arbre 10 et qui rappelle également la garniture d'étanchéité 17 axialement en contact étanche avec le siège 12. Une butée axiale 27 à billes ou à rouleaux est montée élastiquement entre le siège 12 et l'anneau 25 de support, sur plusieurs ressorts 28 de compression espacés angulairement les uns des autres et logés dans des évidements 29 de l'anneau de support. Cette butée axiale 27 à billes ou à rouleaux agit d'une manière similaire à la bague 18 d'appui de la forme de réalisation décrite en regard de la figure 1 de façon à réduire la charge axiale entre la garniture d'étanchéité 17 et le siège 12. En variante des ressorts de compression 28 de la forme de réalisation ci- dessus, un élément rapporté en caoutchouc peut être placé sous compression entre l'anneau 25 de support et la butée 27. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au joint décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, dans les formes de réalisation décrites ci-dessus, la butée axiale est placée intérieurement à la garniture d'étanchéité, de sorte que le fluide retenu de manièr,é étanche peut être utilisé pour lubrifier et refroidir à la fois les faces d'étanchéité et la butée axiale. Cette dernière peut cependant être placée à l'extérieur de la garniture axiale d'étanchéité lorsque, par exemple, le fluide dont l'étanchéité doit être assurée se trouve à l'extérieur de la garniture ou lorsqu'une source de fluide indépendante est prévue pour la lubrification et le refroidissement de la butée axiale. REVENDICATIONS 1. Joint axial mécanique d'étanchéité destiné à réaliser une obturation étanche aux fluides entre deux organes tournant entre eux, caractérisé en ce qu'un premier élément d'étanchéité (12) est associé à l'un des organes (11) et est fixe, dans la direction axiale, par rapport à cet organe (11), en ce qu'un second élément (17) d'étan- chéité- est associé à l'autre organe (10) et peut se dépla- cer axialement par rapport à cet organe (10), en ce que des moyens (15; 26) sont destinés à assurer l'étanchéité entre le second élément d'étanchéité (17) et l'organe associé (10) et à charger ce second élément d'étanchéité axialement vers une position de contact étanché avec le premier élément d'étanchéité (12), et en ce qu'une butée- axiale (18; 27) est disposée parallèlement aux premier et second éléments d'étanchéité (12, 17) afin de réduire partiellement la charge appliquée à -ces éléments d'étan- chéité (12; 17). 2. Joint d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens destinés à assurer l'étanchéité du second élément (17) par rapport à l'organe associé (10) et à le charger axialement vers une position de contact étanche avec. le premier élément (12) comprennent une bague (15) en élastomère. 3. Joint d'étanchéité selon la revendication 2, caractérisé en ce que la butée axiale est constituée par une bague (18) qui est montée coaxialement au second élément (17) d'étanchéité,. dans l'extrémité de la bague (15), l'anneau (18) étant séparé radialement du second élément (17) d'étanchéité, mais aligné axialement avec la face d'étanchéité du premier élément (12) d'étanchéité. 4. Joint d'étanchéité selon la revendication 3, caractérisé en ce que la face (20) de l'anneau (18) opposée à la face d'étanchéité du premier élément (12) comporte des moyens destinés à favoriser la formation d'une pellicule lubrifiante. 5. Joint d'étanchéité selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'anneau (18) est crénelé. 6. Joint d'étanchéité selon la revendication , caractérisé en ce que les surfaces des créneaux en contact avec le premier élément (12) d'étanchéité sont courbées. 7. Joint d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens destinés à assurer l'étanchéité entre le second élément (17) d'étanchéité et l'organe associé (10) et à charger ce second élément axialement pour qu'il porte de manière étanche contre le premier élément (12) d'étanchéité sont constitués par un soufflet élastique (26) qui est monté entre l'organe (10) et un anneau (25) de support sur lequel est monté le second élément (17) d'étanchéité, une butée axiale (27) étant montée sur l'anneau (25) de support, coaxiale- ment au second élément (17) d'étanchéité, des ressorts (28) étant interposés entre la butée axiale (27) et l'an- neau (25) de support. 8. Joint d'étanchéité selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens à ressort comprennent un ou plusieurs ressorts de compression (28). 9. Joint d'étanchéité selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens à ressort comprennent un élément rapporté en élastomère. 10. Joint d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 7, 8 et 9, caractérisé en ce que la butée axiale se présente sous la forme d'un palier (27) à billes ou à rouleaux.