Brevet FR2557257A1 — publié le 19850628

- I - L'invention est relative à une jonction déformable suivant un angle sphérique, par pièce flexible du type caoutchouc adhérisé au métal reliant les parties rigides d'une canalisation de fluide sous forte pression. Elle est basée sur une précontrainte des matériaux dépassant largement les pressions à étancher. Les joints d'étanchéité appliquent de façon générale une pré- contrainte ou serrage, exercée par des éléments rigides sur les faces d'appuis d'un composant plastique ou éiastomérique appelé communément "joint" ou "garniture". Si l'on demande à l'assem- blage étanche ainsi constitué des débattements dépassant les possibilités des limites élastiques des matériaux, une dissymé- trie des déformations peut se produire et déplacer la garniture sur ses faces d'appui, elle pert en certains points sa précontrainte initiale, et l'apparition de fuites ne peut être contrebattue que par un nouveau serrage de la garniture qui a pour effet un fluage dans une nouvelle disposition de moindre course élastique. Les techniques de joints glissants ou tournants utilisent déjà la liaison par adhérisation du caoutchouc au métal pour relier la partie déformable à une base rigide, ainsi que la précontrainte d'une lèvre d'étanchéité sur un solide glissant, soit par la pression d'un ressort externe, soit par la tension du matériau élastomérique lui-même. L'invention a pour objectif d'améliorer la longévité et la fiabi- lité d'une étanchéité par pièces déformables sous une faible sollicitation angulaire, et d'utiliser les performances permises par le feuilletage caoutchouc-métal susceptible de supporter des pressions permanentes élevées, en mettant en contact directement la matière de hautes performances mécaniques avec la pression du fluide à étancher. -2 - Pour ce faire, elle comprend dons un boitier essentiellement une rotule sphérique, constituée de deux calottes d'élastomère adhéri-4 à deux éléments mobiles l'un par rapport b l'autre en débattement angulaire sans guidage métallique, caractérisée en ce que les armatures rigides sont rapprochées à l'assemblage sous l'effet d'une contrainte de précompression telle que ces faces en regard, reliées par l'élastomère, deviennent concentriques lorsque le boitier est fermé. Les pièces sont moulées dans une position décalée de façon que la fermeture du boitier contenant l'ensemble par un couvercle ap- proprié exerce par exemple suivant l'axe de la canalisation la déformation, qui provoque la précontrainte de la matière dans les deux calottes sphériques entourant la canalisation, la composante générale restant nulle sur la rigidité de débattement angulaire. Une utilisation particulièrement performante est représentée sous forme d'ensemble sur la figure 1, la figure 2 reprenant les pièces fondamentales de ce joint flexible lorsqu'elles sont à l'état libre hors du boitier d'assemblage. Deux demi-rotules (1) et (2) d'apparences identiques, sont réalisées par adhérisation lors du moulage de coquilles appropriées, (3) pour la partie externe, (4) pour le noyau solidaire d'un élément de canalisation rigide, (7) avec interposition facultative d'une armature de tole intermédiaire (5). Celle-ci permet éventuellement le frettage de l'élastomère qui s'opposera à la déformation sous des contraintes permanentes pouvant atteindre ou dépasser 100 bars. Les surfaces sphériques de contact sont déterminées de façon qu'après la fermeture du boitier (6) par un couvercle approprié représenté en (1o), une déformation axiale des demi-rotules (1) et (2) conduise toutes les surfaces des coquilles rilgides (3) et (4), ainsi qu'éventuellement (5) à être concentriques. -3 - Sachant l'incompressibilité volumétrique presque absolue des élastomères utilisés, on peut prévoir les formes extérieures des moulages (1) et (2), en principe identiques, de façon que toute déformation angulaire entre la canalisation (7) et le boitier (6) se fasse à volume constant, les surfaces sphériques en regard se déplaçant concentriquement. La matière élastomérique roule sur elle-même sons perdre sa liaison avec les armatures rigides dans les limites admissibles connues pour de telles liaisons caoutchouc-métal, par exemple d'une valeur tangentielle de 60 % de l'épaisseur initiale aussi fréquemment que nécessaire, avec une durée de vie de bon fonction- nement se mesurant en années, sur l'expérience acquise par les fabriquants de telles pièces. Sur cette expérience, il est bien connu que la pression permanente maintenue par la déformation initiale subit des pertes minimes dues au fluage du matériau dont la loi de variation dans le temps peut être bien déterminée. Tant que cette pression existe, une dif- férentielle de pression due au fluide contenu dans la canalisation (7) modifie très légèrement la répartition des contraintes dans l'élastomère par rapport à l'état d'absence de pression, mais dans un sens réduisant les contraintes dans le matériau en contact avec le liquide, et sans augmenter notablement celles appliquées par la précontrainte de fermeture du boitier pour son antagoniste. Certains produits véhiculés pouvant provoquer un gonflement volumétrique de l'élastomère, une telle détérioration se produira dans un sens qui ne peut pas nuire à la fonction l'étanchéité, un joint d'étanchéité classique '8) est représenté sur la face inter- ne, de même que (9) sur la face externe, pour protéger éventuelle- ment l'élastomère d'un contact trop direct avec le fluide d'une part, les intempéries et agressions extérieures d'autre part. - 4 Facultativement, une matière neutre peut garnir le petit espace ménagé par ces joints en (11) et en (12) si besoin était, en transmettant intégralement les pressions à la matière élastique formant le joint principal. Par ailleurs, la même expérience des pièces feuilletées de caoutchoucmétal fait connaître que la résistance au cisaillement, qui est ici le basculement de la rotule, est très notablement abaissée par l'existence de la précontrainte, et que cette rigidi- té de basculement peut devenir très faible, à la façon dont agiraient des coussinets à billes de diensions infiniment réduites, ce qui est tout à l'avantage de l'articulation flexible ainsi constituée. Un trou de communication avec l'extérieur est représenté sur le boitier en (13), pour occroître éventuellement la sécurité du dispositif par un moyen de détection approprié, alertant d'une défaillance de l'étanchéité par cheminement du fluide sur l'une quelconque des faces des armatures, ou à travers l'élastomère par apparition soit du fluide, soit d'une pression mesurable de celui- ci. La course nécessaire représentée en (14) sur la figure 2 pour exercer la précontrainte, dont les effets sont uniquement radiaux, est calculable par l'expérience des caoutchoutiers. - Elle peut avantageusement mettre pratiquement en contact les faces des armatures (3) et (5) ainsi que les surfaces en regard de l'élastomère, mais il n'est pas indispensable de combler l'espace minime qui les sépare, et o apparaîtrait le fluide ou la pression dont il vient d'être question pour la détection d'une défaillance avant la perte totale de l'étanchéité. L'ordre de grandeur de la poussée du fluide par rapport à la pré- contrainte peut conduire à choisir des modules du matériau ou éventuellement des formes de sa surface libre différentes, de façon à ce que la concentricité des faces sphériques soit la plus exacte aux pressions de fonctionnement usuelles, et légèrement détériorée soit aux plus basses pressions, soit aux valeurs de pointe excep- tionnelles suivant l'optimisation qui sera préférée. -5- 2557257 REVENDICATIONS 1.Joint d'étanchéité à rotule sphérique basé sur les déformations d'un élastomère odhérisé à deux éléments mobiles l'un par rapport à l'autre, caractérisé en ce que les calottes sensiblement hémis- phériques de ces armatures rigides (3) et (4) sont rapprochées à l'assemblage sous l'effet d'une contrainte de précompression telle que les faces en regard reliées par l'élastomère deviennent concen- triques et que la composante générale de cette précompression est nulle sur la rigidité de débattement angulaire de l'assemblage. 2.Joint d'étanchéité à rotule sphérique selon 1, caractérisé en ce que les surfaces sphériques de liaison entre les armatures rigides et l'élastomère sont décalées,lors du moulage, de la valeur nécessaire pour devenir concentriques par un rapprochement suivant l'axe de révolution du dispositif, ce rapprochement (14) étant cause de la préco trainte de la matière de résultante générale nulle sur la rigidité de déb,.ttement angulaire. 3.Joint d'étanchéité à rotule sphérique selon 1, caractérisé en ce que les surfaces sphériques de liaison entre les armatures rigides et l'élastomère sont conçues, lors du moulage, de façon qu'une déformation de rétreint radial de l'armature extérieure les ande concentriques, ce rapprochement radial étant cause de la précon- trainte de la matière de résultante générale nulle sur la rigidité de débattement angulaire. 4.Joint d'étanchéité à rotule sphérique selon 1, caractérisé en ce que les surfaces sphériques de liaison entre les armatures rigides et l'élastomère sont rapprochées par un moyen tel qu'une déformation plastique à la fois t boitier de l'armature rigide extérieure et/ou une déformation plas- tique exercée à l'assemblage de l'armature rigide intérieure. - 6 - 5.Joint d'étanchéité à rotule sphérique selon 2, caractérisé en ce qu'une armature intermédiaire (5) interposée entre les calottes sensiblement hémisphériques assure le frettage de l'élastomère lors du rapprochement de course axiale (14), en permettant une précontrainte de la matière élastique beaucoup plus élevée du fait de la rigidité de déformation améliorée par ce frettoge. 6.Joint d'étanchéité à rotule sphérique selon 4, caractérisé en ce que les surfaces sphériques sont reconstituées par la déformation locale de pions ou clavettes ménagés dans les armatures (3) et décalés au moulage de façon que l'emmanchement dans le boîtier provoque par leur déformation la précontrainte du matériau élastique volumétriquement incompressible. 7.Joint d'étanchéité à rotule sphérique selon 6, caractérisé en ce qu'un ou plusieurs pions ménagés à travers une armature (3) ou les deux armatures (3) peut être déplacé par vis de règlage ou cale interposée de façon à modifier la précontrainte de la matière élastique, par exemple pour corriger le fluage dans le temps.