Brevet FR2568970A1 — publié le 19860214

L'invention concerne d'une manière générale des joints d'étanchéité aux fluides, et plus particulière- ment des joints d'étanchéité conçus pour être utilisés dans des milieux à haute pression, notamment ceux dans lesquels a lieu un mouvement alternatif ou un mouvement coulissant d'une pièce à protéger de manière étanche axialement dans l'ouverture du joint. Des applications récentes de certains mécanis- mes hydrauliques, tels que les directions assistées de véhicules automobiles, font souvent l'objet de pressions de plus en plus élevées et sont soumis à des conditions de fonctionnement si rudes qu'elles mettent à l'épreuve les joints d'étanchéité de conception antérieure connus. D'autres mécanismes connus à mettre en oeuvre sous des pressions d'un niveau donné sont soumis à des conditions plus rudes du fait des vitesses ou des plages accrues de mouvements. Ces applications comprennent des barres et autres organes dont l'étanchéité est assurée par des joints d'étanchéité d'arbres à lèvres radiales du type dit frotteur de barres. Dans ces applications, la barre se déplace axialement dans une ouverture du joint d'étanchéité et la partie du joint comportant une ou plusieurs lèvres est exposée à un fluide dont la pres- sion atteint ou dépasse parfois 1 à 7 MPa ou plus. Ces applications peuvent provoquer une usure grave des joints d'étanchéité même, des pièces protégées de façon étanche en cas d'une lubrification insuffisante, ou des fuites lorsque l'étanchéité de la zone à protéger est insuffisamment serrée. Tout mécanisme lubrifié, y compris des mécanismes hydrauliques, est sujet à une panne désastreuse lorsqu'une fuite atteint une proportion telle que l'alimentation en lubrifiant ou en fluide de travail est totalement épuisée. Il existe une demande en joints d'étanchéité soumis à une usure et à un frottement réduits sans perte d'efficacité de l'étanchéité. Conformément à l'invention, un joint d'étan- chéité perfectionné à lèvres radiales comprend une partie à lèvre présentant des côtés air et huile et formant un corps à lèvres d'étanchéité lié à une partie radiale- ment intérieure d'un bâti, joint dans lequel le côté dit air de la lèvre d'étanchéité est profilé de façon à former une surface d'étanchéité à lèvres multiples, à présenter une déformation déterminée sous l'effet de la pression et à assurer une excellente retenue du lubri- fiant pour améliorer les performances dans de nombreuses applications-. L'invention propose un joint d'étanchéité aux fluides comportant un bâti de joint auquel est lié un corps à lèvres en élastomère, ce corps étant de forme annulaire et présentant une surface tronconique tournée du côté huile et rejoignant une surface tronconique tour- née du côté air, suivant une bande circonférentielle et sensiblement circulaire d ' étanchéité, la surface tronconique du côté air comprenant en outre une série de nervures espacées axialement, de contour régulier et dont les diamètres intérieurs croissent progressivement, ces nervures étant espacées les unes des autres par des gorges de retenue de lubrifiant, l'ensemble du corps du joint d'étanchéité étant conçu pour être sollicite en appli- cation étanche étroite contre un arbre associé, par un contact des nervures avec l'arbre à mouvement alternatif et de manière étanche, ce contact augmentant progressive- ment avec la pression dans la zone à-protéger de manière étanche. L'ivention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: - la figure 1 est une coupe verticale partielle à échelle agrandie d'un joint d'étanchéité selon l'inven- tion; - la figure 2 est une coupe partielle du joint d'étanchéité de la figure 1, montrant la position de certains de ses éléments; - la figure 3 est une coupe analogue à celle de la figure 2, mais à échelle encore agrandie, montrant le joint d'étanchéité dans sa position initiale d'utilisa- tion - la figure 4 est une coupe analogue à celle de la figure 3, montrant le même joint d'étanchéité dans une autre position d'utilisation; et - la figure 5 est une coupe à échelle encore agrandie, montrant le joint d'étanchéité de l'invention dans une position d'utilisation dans des conditions de pression maximale. Une forme préférée de réalisation du joint d'étanchéité selon l'invention est montée dans un boîtier de direction assistée devant être mis sous pression et dans lequel l'élément à mouvement alternatif est le-tronçon extrême d'une crémaillère provenant d'un mécanisme de direction assistée pour automobile, du type à crémaillère et pignon. En référence plus en détail aux dessins, la figure 1 représente un joint d'étanchéité selon l'inven- tion désigné globalement par la référence numérique 20, devant être installé dans un bottier désigné globalement en 22 et devant y être retenu dans un lamage 24 formé dans ce boîtier 22 o le joint est retenu par un anneau élastique 26 ou autre organe disposé dans une gorge 28 de verrouillage. Le dispositif 20 ou joint d'étanchéité com- prend un corps à lèvres d'étanchéité en élastomère désigné globalement en 21, et un bâti de joint désigné globalement en 30 et qui comprend une aile annulaire axiale 32 et une aile annulaire radiale 34 aboutissant à un bord ou une partie radialement intérieure 36 de fixation de liai- son du corps du joint d'étanchéité. Le bâti est logé par son diamètre extérieur 38, de manière étanche aux fluides, dans le lamage 24 du bottier; un joint d'étanchéite secondaire (non repré- senté), tel qu'un manchon extérieur en caoutchouc ou autre élément, peut être utilisé pour assurer l'étanchéité dans le lamage. Le corps 21 du joint comprend une partie de liaison et une partie de surface intérieure 42 qui est exposée au fluide retenu dans la zone à protéger de façon étanche, cette surface 42 présentant une gorge annulaire 44 de ressort qui s'étend sur le pourtour du corps du joint d'une manière connue et qui est conçue pour recevoir un ressort jarretière 46. Le joint d'étanchéité présente également une surface globalement tronconique 48 tournée du côté huile, s'étendant radialement vers l'intérieur d'une bavure résiduelle 50, la surface tronconique 48 du c8té huile rejoignant une surface tronconique 52 du côté air pour former une bande 54 d'étanchéité de position globale- ment circulaire. Une première nervure auxiliaire 56, séparée de la bande 54 d'étanchéité par une gorge circonfé- rentielle 58, s'étend sur le côté air du joint et axiale- ment vers l'extérieur de la bande 54 d'étanchéité. Une gorge 60, s'étendant axialement et radialement vers l'exté- rieur de la nervure 56, établit un espace entre cette nervure 56 et une seconde nervure auxiliaire 62. Dans la forme préférée de réalisation, une autre gorge 64 sépare la deuxième nervure 62 d'une troisième nervure 66. En référence a présent à la figure 2, par exemple, il convient de noter que les surfaces intérieures 68, 70, 72 des nervures auxiliaires 56, 62, 66 sont d'un diamètre augmentant progressivement à partir de la bande 54 d'étanchéité et axialement vers l'extérieur. A cet égard, l'expression "axialement extérieur" signifie espacé de l'intérieur de la zone à protéger de façon étanche indiqué globalement en 55 sur les figures 1 et 2, et s'étendant vers l'extérieur ou côté "air" désigné globale- ment en 57 sur les figures 1 et 2. L'expression "radialement extérieur" s'expli- que d'elle-même, mais elle s'applique particulièrement à un accroissement de diamètre dans une application o l'élément à protéger de façon étanche passe au centre du joint plutôt qu'autour de son c6té extérieur, comme cela serait le cas dans un joint d'étanchéité à lèvres agissant rad-ialement vers l'extérieur. En référence de nouveau à la figure 2, il convient de noter que les surfaces intérieures 68, 70, 72 des nervures 56, 62, 66 s'étendent le long de, et à peu près parallèlement à, la grande dimension du corps du joint, représentée par une ligne pointillée et identifiée en 75 sur la figure 2. La ligne associée 76 sur la figure 2, qui est tangente aux nervures, apparait comme étant sensiblement parallèle à la ligne 75 et forme un angle donné (thêta) avec un axe horizontal imaginaire 78 qui s'étend parallèlement à l'axe de l'élément à protéger de manière étanche. Dans la terminologie des joints d'étan- chéité, l'angle de la partie du côté air du corps à lèvres du joint est souvent appelé "angle de corps". Dans le cas présent, l'angle de corps est l'angle de la totalité du corps du joint, ou l'angle dérivé de la suite de points s'étendant le long des diamètres intérieurs respectifs des nervures auxiliaires. En référence de nouveau à la figure 1, dans l'installation représentée, l'élément à protéger de maniè- re étanche est un tronçon 80 de tige à mouvement alterna- tif d'une crémaillère présentant une partie de la surface extérieure 82 qui rejoint la bande 54 d'étanchéité afin de former le joint principal. Comme indiqué par les flè- ches 84, le mouvement nécessitant un joint d'étanchéité est un mouvement axial ou transversal donnant naissance à une action d'étanchéité du type frottement. En référence à présent à la figure 3, celle- ci illustre la relation de l'angle entre les lignes 75, 76 et 78, de même que le fait que, lorsque le joint est installé, la nervure intérieure 56 peut être disposée de façon que sa surface intérieure 68 soit juste espacée de la surface 82 de la tige ou de l'arbre 80 protégé de manière étanche. En conséquence, un léger serrage dit "résiduel" est réalisé entre la bande d'étanchéité principale 54 et la surface 82 de l'arbre. En référence à présent à la figure 4, qui est quelque peu schématique, il convient de noter que la bande 54 d'étanchéité est en contact avec la surface 82 de l'arbre et que la première nervure auxiliaire 56 est également tangente à la surface et que la gorge 52 située entre la bande d'étanchéité principale et la nervu- re auxiliaire 56 est quelque peu aplatie. Sur la figure 4, qui représente une pose sous une pression modérée, les lignes 75, 78 sont à présent telles que l'angle est de valeur réduite alors que le corps 22 du joint présente une section transversale globalement plus cylindrique. La figure 5 illustre schématiquement le joint d'étanchéité selon l'invention dans son état installé sur une tige ou un arbre 80, alors qu'une pression plus élevée régnant dans la zone 55 à protéger de manière étanche a fait porter la bande 54 d'étanchéité ainsi que les nervures auxiliaires 56, 62 et 66 contre la surfa- ce 82 de l'arbre 80. La figure 5 montre également que, en raison de la pression hydraulique exercée sur la surface 42 du corps 22 du joint, tel qu'indiqué par les flèches, l'ensemble du corps s'est déformé de manière que l'angle soit très petit et que le corps du joint recouvre étroite- ment, dans son ensemble, l'arbre. En outre, sur cette illustration, les gorges 52, 60 et 64 sont représentées comme ayant accumulé une quantité mesurable de fluide et elles retiennent ce fluide à des fins de lubrification; ceci diminue avantageusement l'usure, en particulier dans des conditions à haute pression. La largeur de la bande 54 d'étanchéité est indiquée schématiquement en "A" sur la figure 5, et les bandes d'étanchéité formées par les nervures auxiliaires respectives 56, 62 et 66 apparaissent comme ayant des largeurs qui diminuent pro- gressivement, comme indiqué en "B", "C" et "D"o Ainsi, la nervure auxiliaire 56 la plus resserrée, qui correspond au diamètre le plus petit, est abaissée et aplatie en une configuration "'B" en contact sur une grande largeur avec l'arbre associé; la deuxième nervure auxiliaire est également aplatie en contact avec l'arbre, mais forme une bande d'étanchéité quelque peu plus étroite ou de largeur réduite, ou "empreinte de pied " "C'", et un contact définî, mais de largeur encore réduite '"B",est établi à l'emplacement o le diamètre intérieur 72 de la seconde lèvre ou nervure auxiliaire 66, de plus grand diamètre, rejoint l'arbre. Il ressort de l'explication précédente que, lorsque la pression augmente, le joint d'étanchéité de l'arbre se déforme en se resserrant sur l'arbre mais, du fait de la flexion particulière, la zone de contact est de largeur accrue et est établie par les nervures espacées, les deux nervures associées de chaque paire pou- vant retenir entre elles du lubrifiant. Bien que la quanti- té de lubrifiant retenu ne soit pas importante, elle est mesurable et ce lubrifiant est presque toujours pré- sent le long de la surface de l'arbre A protéger. En l'absence de ces gorges et nervures, il est apparu que les hautes pressions présentes dans ces applications hydrauliques d'étanchéité tendent à provoquer une extru- sion du fluide au-dessous de la lèvre principale et à accroître la force de contact étanche au-delà de limites acceptables. Ceci, associé au manque de lubrifiant, provo- que une défaillance prématurée du joint d'étanchéité dans-les dispositifs conçus antérieurement. Par contre, conformément à l'invention, l'ac- tion progressive produite par le joint d'étanchéité selon l'invention permet non seulement de retenir du lubrifiant et d'empêcher son extrusion au-dessous de ces zones criti- ques, mais elle permet aussi de répartir la charge et ceci d'une manière progressive, de sorte que les forces nécessaires d'étanchéité sont maintenues, mais tendent à se répartir entre davantage-de lèvres ou de nervures ce qui évite l'accumulation d'une pression beaucoup trop__ grande ou la localisation indésirable de forces. En référence à présent à une autre caractéris- tique de l'invention que l'on peut voir sur les figures 1 et 2, on peut prévoir une gorge 90 de conicité renversée caractéristique, destinée à recevoir un élément rapporté de verrouillage ou un élément anti-extrusion, tel qu'une bague de Nylon du type décrit dans le brevet des Etats- Unis d'Amérique N 3 495 843. Cette rondelle peut être tenue en position par l'action naturelle de prise du joint d'étanchéité par une bague auxiliaire de verrouilla- ge, comme cela peut être préféré dans cette application particulière. Cette bague auxiliaire peut être prévue dans un joint d'étanchéité conforme à l'invention, mais elle ne constitue pas une caractéristique nouvelle, en soi. de l'invention. Il est apparu que des joints d'étanchéité réalisés conformément à l' inventiorn présentent une tenue notablement améliorée lors de 'l'utilisation, une plus grande fiabilité, une usure plus faible, en même temps qu'une aptitude à assurer l'étanchéité sous des pressions plus élevées, rencontrées dans des applications du type décrit ici posant des problèmes. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'étanchéité aux fluides pour des applications d'étanchéité à haute pression, caractéri- sé en ce qu'il comporte un bâti annulaire (30) de joint réalisé en une matière relativement rigide et destiné à être logé, en cours d'utilisation, dans un premier élément (22) d'un mécanisme de machine à protéger de manière étanche, et un corps annulaire (21) à lèvres d'étanchéité en élastomère dont une partie (40) est liée à un premier bord dudit bâti annulaire, ce corps étant défini au moins en partie par des surfaces tronconiques (52, 48) situées respectivement sur des côtés air et huile et se rejoignant suivant une zone sensiblement circulaire afin de former une bande d'étanchéité principa- le (54) par laquelle le corps à lèvres d'étanchéité porte, en cours d'utilisation, contre un autre élément (80) du mécanisme de machine, en contact étroit d'étanchéité aux fluides à l'état relâché du corps à lèvres lorsque le fluide présent dans la zone du mécanisme de machine est sous une première pression, ladite surface tronconique du côté air du corps à lèvres comportant en outre plusieurs nervures d'étanchéité auxiliaires (56, 62, 66) espacées axialement les unes des autres par des gorges (60, 64) de retenue de fluide, chacune desdites nervures auxiliai- res présentant une aire conçue pour être en contact avec leait autre élement, lesdites nervures étant dimen- sionnées de façon à être progressivement de plus en plus écartées dudit autre élément dans la direction s'éloi- gnant de la bande d'étanchéité principale, ladite surface tronconique de côté air du corps d'étanchéité étant réali- sée et agencée de manière que, sous ladite première pres- sion, les bords des nervures auxiliaires soient écartés dudit autre élément et que, lorsque la pression présente dans ladite zone augmente, le corps d'étanchéité soit déformé radialement afin que les bords d'autres nervures entrent en contact avec ledit autre élément pour accroître l'aire de contact de la bande d'étanchéité et retenir un fluide d'étanchéité dans ladite gorge comprise entre des nervures auxiliaires adjacentes. 2. Dispositif d'étanchéité selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que le corps d'étanchéité pré- sente en outre une gorge annulaire (44) en alignement globalement radial avec une partie de la bande d'étan- chéité principale, et un ressort jarretière (46) disposé dans cette gorge. 3. Dispositif d'étanchéité selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que les zones de contact des nervures auxiliaires sont d'un contour régulier sur les bords des nervures conçus pour être en contact avec ledit autre élément. 4. Dispositif d'étanchéité selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce qu'il présente en outre une gorge annulaire (90) pour élément anti-extrusion, s'éten- dant axialement à l'extérieur des nervures auxiliaires et au moins partiellement axialement vers l'intérieur d'un bord du bâti du joint, cette gorge étant destinée à recevoir un élément rapporté afin d'empêcher une défor- mation indésirable du corps du joint à proximité immédiate du bord du bâti. 5. Dispositif d'étanchéité selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que le bâti est de forme globa- lement en L, en section, et comprend une aile axiale (32) présentant une surface destinée à être logée dans un contre-alésage (24) du premier élément de machine, et une aile radiale (34) qui forme au moins une surface constituant ledit bord du bâti annulaire auquel le corps à lèvres d'étanchéité est lié. 6. Dispositif d'étanchéité selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que le premier élément du méca- nisme de machine est situé radialement à l'extérieur dudit autre élément et en ce que les nervures auxiliaires ont un diamètre intérieur qui augmente progressivement d'une nervure.à l'autre, en partant axialement de la zone de la bande d'étanchéité principale du corps à lèvres. 7. Dispositif d'étanchéité selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que les nervures auxiliaires sont au nombre d'au moins trois. 8. Mécanisme hydraulique à protéger de manière étanche, caractérisé en ce qu'il comporte un premier élément (22) de machine qui présente une ouverture de réception d'-un-arbre et un lamage (24) de réception d'un joint d'étanchéité, et un second élément (80) de machine se présentant sous la forme d'un arbre qui passe dans ladite ouverture, le mécanisme comprenant en outre un joint (20) d'étanchéité au fluide qui comprend luimême un bâti annulaire (30) comportant une aile (32) de montage du joint logée étroitement dans le lamage, et une partie (34) de fixation d'un corps du joint, ce dernier compre- nant en outre un corps annulaire (21) de joint en élasto- mère dont au moins une surface est liée à ladite partie de fixation, le corps du joint présentant en outre des surfaces tronconiques (52, 48) tournées des cotés air et huile et se rejoignant suivant une zone sensiblement circulaire afin de former une bande d'étanchéité princi- pale (54) qui, à l'état relâché du corps, est en contact étanche aux fluides avec l'arbre, ladite surface du joint tournée du cOté air comportant en outre plusieurs nervures d'étanchéité auxiliaires(56, 62, 66), espacées axialenment présentant chacune une surface intérieure de contact avec l'arbre et espacées chacune d'une nervure adjacente par au moins une gorge (60, 64) de retenue de fluide, cette surface de contact avec l'arbre ayant un diamètre qui augmente progressivement dans la direction s'éloignant de la bande d'étanchéité principale, ledit corps à lèvres étant suffisamment flexible pour que, à la suite d'un accroissement de la pression d'un fluide dans ladite zone a protéger de manière étanche, le corps à lèvres soit déformé progressivement afin que la surface.de contact porte progressivement contre la surface de l'arbre, rete- nant un fluide à l'intérieur des gorges pour améliorer la lubrification de la surface de l'arbre. 9. Mécanisme selon la revendication 8, caracté- risé en ce que le corps du joint présente en outre une gorge (44) dans laquelle est loge un ressort jarretière (46). 10. Mécanisme selon la revendication 8, carac- térisé en ce que les nervures auxiliaires sont au nombre d'au moins trois. 11. Mécanisme selon la revendication 8, carac- térisé en ce que le bâti présente une section transversale globalement en L.