Brevet FR2582373A1 — publié le 19861128

L'invention est relative à un dispositif 8 garniture d'étanchéité h frottement latéral. Elle trouvera tout particulièrement son application pour assurer l'étanchéité au niveau de la jointure d'un arbre tournant et d'un carter fixe. On connait de longue date les difficultés rencontrées au niveau de l'étanchéité qui doit être assurée entre deux pièces en mouvement l'une par rapport à l'autre. Cette occasion se rencontre à maintes reprises et dans les cas ordinaires, des solutions classiques utilisant par exemple les dispositifs à presse étoupe peuvent être utilisées. Cependant, lorsque la substance contenue dans le carter présente des caractéristiques particulières, telles que une forte pression, fluide nocif, fluide couteûx ou dangereux ou encore gaz pressurisé, il est nécessaire de mettre en place des moyens adaptés. A cet égard, on connait l'utilisation de dispositifs à garniture d'étanchéité à frottement latéral. Avec de tels dispositifs, on localise l'étanchéité dynamique entre deux bagues de frottement, l'une solidaire en rotation de l'arbre, l'autre fixe, solidaire en rotation de la paroi du carter. Les surfaces planes annulaires des deux bagues en contact l'une contre l'autre présentent des propriétés de frottement et d'étanchéité telles qu'aucune fuite n'est à craindre entre lesdites bagues. Par ailleurs, les étanchéités å assurer sont statiques, c' est-è-dire qu'il n'existe aucun mouvement relatif entre les pièces et par conséquent, l'utilisation de joint toriaue traditionnel est pleinement satisfaisante. En raison de l'usure occasionnée par les frottenents des bagues entre elles, il est nécessaire de prévoir un rattrapage du jeu pour garantir à terme l'étanchéité. Dans ce sens, on dote la bague de frottement fixe d'un sièqe présentant des moyens à forte élasticité axiale, qui permettent de maintenir sensiblement constante la pression axiale exercée entre les bagues. Jusqu'à présent, le guidage en translation de la bague fixe par rapport aux flasques solidaires du carter était assuré à l'aide de tétons fixes enchassés dans ledit flasque et dont la tête était emboîtée dans des cavités annulaires pratiquées dans une couronne de soutien de la bag;ue de frottement fixe. A l'usage, cette technique présente des inconvénients graves. En particulier lorsque l'usure des bagues de frottement est importante, le jeu qui doit être rattrpé par la couronne mobile en tranolation est conséquent, aussi les tétons d'immobilisation en rotation de la couronne travqillent avec leur partie extrême ce qui occasionne un porte-a-faux important et de nombreuses casses sont à déplorer. Actuellement, la fixation de la bague de frottement mobile sur l'arbre est assurée au moyen d'un collier. Ce collier est serré sur l'arbre par l'intermédiaire d'une vis tangentielle qui exerce son action sur les extrémités d'une bague fendue solidaire du collier de soutien de la bague de frottement mobile. Ce-type de serrate présente quelques inconvénients, en particulier le serrent est fortement localisé, ce qui occasionne bien souvent des rayures sur l'arbre. Etant donné la tolérance exigée dans de telles applications, ces rayures constituent un inconvnient majeur. De nombreux exemples montrent une dégradation rapide du oint torique utilisa pour assurer l'étanchéité extérieure entre la couronne de soutien de la bague de frottement d'étanchéité fixe et le flasque solidaire du carter. Ce joint est soumis à l'action directe de la substance contenue dans le carter, aussi a dégradation a-t-elle des répercussions immédiates sur l'étanchéité générale du dispositif. Le flasque présente un siège annulaire creux de réception de la couronne de soutien de la bague de frottement mobile. Ce siège annulaire renferme des moyens de pression axiale de la couronne ainsi que des moyens de guidage en translation de cette dernière. Pour permettre le coulissement des différents organes énumérés précédemment, généralement la cavité intérieure du siège annulaire est garnie de graisse.La graisse étant incompressible, il peut rénner au sein de la cavité annulaire une dépression ou une surpression défavorable selon les cas a l'étanchéité des différents joints toriques mis en place. I1 s'agit d' n danger important car toute infiltration par exemple d'une substance corrosive au sein du système de guidage axial de la bague de frottement fixe peut mettre en péril le fonctionnement du dispositif de rattrapage de l'usure, ce qui a pour conséquence irrémédiable une fuite localisée entre les baques de frottement. Dans certains cas d'utilisation, lorsqu'il s'agit par exemple d'isoler un gaz pressurisé dans un carter, on utilise un double joint entre lesquels on fait circuler un liquide neutre dans l'espace annulaire séparant les joints pour refroidir les faces du joint et pour éviter tout échappement dans l'atmosphère. Selon cette technique, on utilise deux bagues extrêmes de frottement fixe et deux bagues de frottement d'appui mobiles situées dans la partie intérieure du joint. Un dispositif de pression axiale est 111 a cé entre les bagues mobiles de sorte è les appliquer sur les baques fixes. Cette disposition oblige à utiliser un carter annexe enveloppant le double joint pour contenir le fluide tampon. I1 s'agit par conséquent d'une mise en oeuvre complexe et onéreuse. Le but principal de la présente invention est de présenter un dispositif à garniture d'étanchéité à frottement latéral dont la fiabilité est renforcée par rapport au dispositif existant. En premier lieu, le système de guidage en translation de la bague de frottement fixe est entièrement reconnu pour offrir un parfait guidage nuel que soit le deqré d'ustlre des bagues. Selon l'invention, le collier de soutien de la bague de frottement mobile présente des moyens de solidarisation en rotation avec l'arbre tels que les contraintes exercées sur ce dernier soient largement réparties pour jouir d'une grande efficacité tout en évitant les rayures ou déformations locales. Un autre but de la présente invention est de présenter un dispositif à garniture d'étanchéité dans lequel le joint torique d'étanchéité entre la couronne de soutien de la bague de frottement fixe et le flasque, n'est plus soumis à l'action directe du fluide contenu dans le carter et par conséquent voit sa longévité augmenter. iln autre but de la présente invention est de présenter un dispositif à narniture d'étanchéité dans lequel las variations de pression; rencontrées dans le volume annulaire interne du flasque sont compensées pour renforcer l'étanchéité. Un autre but de la présente invention est de présenter un dispositif à garniture d'étanchéité avec montage b double joint et liquide intermédiaire neutre, nui ne nécessite pas de carter auxiliaire et donc d'un coût de fabrication nettement inférieur au modèle traditionnel. D ' autres buts et avantages de la présente invention apparaitront au cours de la description oui va suivre qui n' est cependant donnée qu' a' titre indicatif et oui n'a pas pour but de la limiter. Le dispositif à garniture d'étanchéité à frottement latéral, destiné à assurer la jointure entre un-carter fixe et un arbre tournant le traversant pour éviter toute fuite de la substance contenue dans le carter par l'alésage de passage de l'arbre dans le carter, ledit dispositif étant formé d'un collier, fixé sur l'arbre, qui soutient une bague mobile de frottement sur laquelle s'applique une bague de frottement fixe solidaire en rotation d'un flasque fixé sur le carter par l'intermédiaire de moyens de pression axiaux, qui appliquent la bague de frottement fixe contre la bague de frottement mobile, lesdits moyens comprenant une couronne mobile axialement sur laquelle s'appliquent des ressorts de pression répartis dans des chambres réalisées sur le pourtour du flasque, caractérisés par le fait que l'immobilisation axiale de la couronne sur le flasque est réalisée au moyen d'ergots placés dans des cavités tubulaires réalisées sur le pourtour du flasque, dont les têtes s'appliquent dans des découpes réalisées dans la couronne h cet effet, lesdits ergots présentant des moyens de poussée axiale qui leur permettent de suivre le mouvement axial de la couronne correspondant à l'usure des bagues de frottement. L'invention sera mieux comprise b la lecture de la description suivante accomnagnée de dessins en annexa parmi lesquels - la figure 1 schématise en vue de coupe un mode préférentiel de réalisation du dispositif à garniture d'étanchéité de la présente invention, - la figure 2 schématise le positionnement des différents organes de poussée axiale logés dans le flasque du dispositif d'étanchéité, - la figure 3 représente, en vue de perspective, un ergot d'immobilisation en rotation de la couronne ainsi que les moyens de poussée axiale associés, - les figures 4a et 4b illustrent respectivement chacune un mode de réalisation du collier de soutien ' de la bague de frottement mobile, - la figure 5 illustre, en vue de coupe, des détails de réalisation des soupapes placées dans le flasque, - la figure 6 schématise, en vue de coupe axiale, un mode préférentiel de réalisation du dispositif ide la présente invention formant un double joint avec liquide neutre intermédiaire. La présente invention vise un dispositif 9 qarniture d'étanchéité à frnttement latéral. Ce type de joint s'applique principalement pour assurer l'étanchéité entre une paroi fixe généralement constituéé par un carter, et un arbre tournant traversant la paroi. Cette configuration se rencontre par exemple dans les pompas. Lorsque la substance contenue dans le 'carter présente des propriétés particulières, comme c'est le cas avec les fluides nocifs, coûteux ou dangereux ainsi que les gaz fortement pressurisé, il est nécessaire de mettre en oeuvre un dispositif d'étanchéité parfaitement adapté. Tel est le cas avec les garnitures d'étanchéité à frottement latéral qui permettent de localiser l'étanchéité dynamique entre les @ièces fixes et mobiles à une surface annulaire place située entre deux bagues de frottement appliquées l'une contre l'autre et réalisées dans des matériaux susceptibles de résister è un frottement important et prolongé. A titre d'exemple, les carbures métalliques, les céramiques présentent les propriétés requises. La finure 1 représente, en vuc de coupe, la réalisation d'un tel dispositif a garniture d'étanchéité è frottement latéral. Le carter fixe (1) enferme une substance (2) de nature quelcoaque oui doit cependant, impérativement, être contenue dans le volume intérieur du carter (1) sans qu'aucune fuite ne puisse se produire malgré la traversée du carter (1) par un arbre tournant (3). Le dispositif d'étanchéité comprend un collier (4) fixé sur l'arbre mobile (3) qui soutient une bague mobile de frottement (5). La bague mobile de frottement (5) est solidaire en rotation de l'arbre (3) et présente, sur sa partie extérieure, un joint torique d'étanchéité (6) avec le collier (4). De préférence, le siège réalisé dans le collier (4) et qui sert è recevoir la bague de frottement mobile (5) présente un fond garni d'un élément (7) présentant une certaine élasticité pour favoriser le positionnement de la baque mobile de frottament (5). L'étanchéité entre le collier (4) et l'arbre (3) est assurée à l'aide d'un joint torique (8). Une baque de frottement fixe (9) s'applique sur la bague de frottement mobile (5) de sorte à cé que la surface (10) plane annulaire de contact forme la zone d'étanchéité dynamique du dispositif. La vaque dc frottenent fixe (9) est solidaire en rotation d'un flasque (11) fixe sur le carter (1), à l'aide par exemple de vis (12). L'étanchéité du flasque (11) sur le carter (l)-est réalisée à l'aide d'un joint torique (13). La bague de frottement fixe (9) solidaire en rotation du flasque (11) est fixe sur le carter (1) par l'intermédiaire de moyens de pression axiaux qui appliquent la bague dc frottement fixe (9) contre la bague mobile de frottement (5). Ces moyens de pression axiaux comprennent une couronne mobile axialement (14) sur laquelle s'appliquent des ressorts de pression (15). Ces ressorts de pression (15) disposés sur le pourtour du flasque (11) forment un siège d'appui élastique pour la couronne (14) et la bague de frottement (9). La a figure 2 illustre, en vue axiale, le flasque (11) avec la répartition périphérique des ressorts de pression (15). Ces ressorts (15) sont logés dans des chambres (16) réalisées sur le pourtour du flasque (11) de telle sorte que les ressorts (15) soient quidés axialement Le flasque (11) présente une chambre annulaire périphérique (17) dans laquelle vient se loger la couronne (14). L'étanchéité entre le flasque (11) et la cauronne (14) est assurée au moyen de joints toriques extérieur (18) et intérieur (19) situés de part et d'autre de 3a couronne (14). Selon l'invention, l'immobilisation axiale de la couronne (14) sur le flasque (11) est réalisée au moyen d'ergots (20) placés dans des cavités tubulaires (21) réalisées sir le pourtour du flasque (11). Les têtes (22) desdits ergots (20) s'appliquent dans de découpes réalisées dans la couronne (14) à cet effet. Les découpes ont des formes complémentaires aux têtes (22) des ergots (20) de sorte å créer une immobilisation tangentielle des pièces. Par ailleurs, les ergots (20) présentent des moyens de poussée axiale qui leur permettent de suivre le mouvement axial de la couronne (14) correspondant à l'usure des bagues de frottement (5) et (9). Contrairement aux techniques antérieures, selon la présente invention, l'ergot suit lui-même le mouvement d'avance de la couronne (14), ce qui évite à ce niveau la création d'un porte-à-faux important en cas d'usure prononcée des blagues de frottement, ce qui avait pour fâcheuse conséauence de produire une rupture de l'ergot. Selon un mode préférentiel de réalisation ! de la présente invention, les moyens de poussée des ergots sont constitués par les ressorts (15) de pression qui s'appliquent entre la couronne (14) et le flasque (il). Les moyens de poussée sont donc communs à ceux oui s'appliquent directement sur la couronne (14). La figure 2 montre la répartition des ergots (20) d'immobilisation en rotation de la couronne (14). Ceux-ci sont disposés entre les ressorts (15) de pression. La figure 3 illustre un mode préférentiel de réalisation des ergots (20) qui comprennent une plaquette transversale (23) dont les extrémités rejoignent les ressorts de pression (15). La plaquette transversale (23) est suffisamment large pour joindre les points de contact des ressorts de pression (15) avec la couronne (14). De préférence, les ergots (20) présentent dans leur partie placée dans les cavités (21) du flasque (11) un enrobage (24) de matériau élastique et i bas coefficient de frottement. Cet enrobage, qui ne diminue en rien l'immobilisation en rotation des différentes pièces, permet d'absorber les vibrations et renforce la tenue mécanique de l'ergot. La figure 4a schématise, en vue de coupe, des détails de réalisation du collier (4) de soutien de la bague de frottement latéral mobile (5). Contrairement aux réalisations antérieures qui utilisaient, pour la fixation du collier (4) sur l'arbre (3), une vis de serrage tangentiel, la présente -invention préconise l'utilisation d'une frette (25) appliquée sur l'arbre (3) à l'aide d'une vis de serrage radial (26)* De par la large portée de la frette (25) sur l'arbre (3), le serrage est efficace sans pour autant engendrer une contrainte importante à la surface de 11 arbre.La frette peut faire partie intégrante du collier (4) tel qu'illustré à la figure 4a dans laquelle la frette (25) est formée par l'usinage. d'une cavité périphérique (27) dans le collier (4) pour dégager une faible épaisseur au niveau de la frette (25) qui peut ainsi répercuter l'effort radial engendré par la vis (26). Un second mode de réalisation est illustré à la figure 4b dans laquelle la frette (25) est constituée par une pièce rapportée sur le collier (4). Dans ce cas, il n'est pas nécessaire de réaliser un usinage (27), la vis (26) peut directement s'appliquer sur la frette (25). Comme cela a été décrit précédemment, l'étanchéité entre le flasque (ll)et la couronne (14) est réalisée pour une part par le joint torique intérieur (19) et d'autre part par le joint torique extérieur (18). I1 faut cependant remarquer que le joint torique extérieur (18) est soumis directement à l'action du fluide (2) contenu dans le carter (1). Par ailleurs, en raison d@ déplacement procreasif de la c@@roane (14), les joints ont à subir un frottement mécanique. L'action conjuguée du déplacement et du milieu (2) peut avoir des conséquences négatives sur le bon fonctionnement dti dispositif de la présente invention.Aussi, selon un floue préférentiel de réalisation de l'étanchéité au contact de la couronne (14) sur le flasque (11), on utilise un joint racleur (28) supplémentaire, tel qu'illustré à la figure 1. Ce joint racleur est placé en amont du joint torique extérieur (18) et renforce se protection vis-à-vis des substances (2) en formant un obstacle au passage de cette substance vers le joint torique (18). Pour garantir le bon coulissement de la couronne (14) dans la chambre annulaire (22), généralement une partie de cette chambre est remplie de graisse, ce qui évite notamment l'oxydation des différentes pièces. La graisse est un corps incompressible et par conséquent, il peut être créé, en fonction des échauffements ou du déplacement des pièces, une dépression ou une surpression dans le volume intérieur de la chambre annulaire (22). La différence de pression créée peut être très préjudiciable à l'étanchéité du dispositif. Aussi, de préférence, le volume intérieur de la chambre annulaire (22) présente des moyens de comr!lunication contrôlés avec 1 'atmosphère extérieure.Les moyens de communication contrôles limitent les échanges avec l'extérieur car une libre circulation de l'air pourrait susciter l'introduction de poussières dans le mécanisme mais autorise une compensation partielle de l'écart de pression afin de lirnifer la valeur de la différence de pression. La figure 5 montre les moyens de communication contrôlés qui se présentent sous la forme de soupapes (29) et (30) disposées sur le flasque (11). La figure 2 montre le positionnement des soupapes (29) et (30) sur le flasque (14). Ces soupapes sont réalisées à l'aida d'une bille (31) appliquée contre l'orifice de communication (32) qui présente une rondelle en téflon (33) par l'intermédiaire d'un ressort taré (34). L'immobilisation des ressorts tarés (34) est assurée au moyen d'un sertissage (35) et chacune des soupapes (29) et (30) est mise en place avec un positionnement respectif anti-parallèle, ctest-h-dire l'une d'elle autorisant l'introduction d1 air extérieur alors que l'au-tre autorise le refoulement de l'air excédentaire. La figure 6 s'appliqua à un type de configuration particulière plus spécialement utilisée lorsqu'il s'agit de contenir dans le carter (1) un gaz (2) pressurise. En pareil cas, oru utilise un double joint (36), (37) à garniture d'étanchéité n frottement lateral et on fait circuler un fluide tampon (38) entre lesdits joints afin d'éviter tout échappement direct dans l'atmosphère du gaz (2) contenu dans le carter (1). Le fluide (38) est injecté avec une pression supérieure à celle du qaz (2) régnant dans le carter (1). Contrairement aux réalisations antérieures, dans lesnuelles les deux joints (36) et (37) étaient enfermés dans un carter annexe au carter (1), la présente invention ne requiert aucun carter supplémentaire. Le dispositif de la présente invention présente un flasque (39) à double cavité (40) et (41) annulaire disposée sur chacune de ses faces latérales et qui sert å recevoir les couronnes (42) et (43) de soutien des bagues fixes de frottement des joints (36) et (37). Les garanties d'étanchéité sont aussi bonnes qu'avec les dispositifs antérieurs, cependant une plus grande simplicité de réalisation est rencontrée grâce à la présente invention. D'autres mises en oeuvre de la présente invention, à la portée de l'Homme de l'Art, auraient pu être employées sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif à garniture d'étanchéité à frottement latéral, destiné à assurer la jointure entre un carter fixe (1) et un arbre tournant (3) le traversant pour éviter toute fuite de la substance (2) contenue dans le carter (1) par l'alésage de passage de l'arbre (3) dans le carter (1), ledit dispositif étant formé d'un collier (4), fixé sur l'arbre (3), qui soutient une bague mobile (5) de frottement sur laquelle s'applique une bague de frottement fixe (9) solidaire en rotation d'un flasque (11) fixé sur le carter (1) par l'intermédiaire de moyens de pression axiaux qui appliquent la bague de frottement fixe (9) contre la bague de frottement mobile (5), lesdits moyens comprenant une couronne mobile axialement (14) sur laquelle s'appliquent des ressorts de pression (15) répartis dans des chambres (16) réalisées sur le pourtour du flasque (11), c a r a c t é r i s é par le fait que l'immobilisation axiale de la couronne (14) sur le flasque (11) est réalisée au moyen d'ergots (20) placés dans des cavités tubulaires (21) réalisées sur le pourtour du flasque (11), dont les têtes (22) s'appliquent dans des découpes réalisées dans la couronne (14) à cet effet, lesdits ergots (20) présentant des moyens de poussée axiale qui leur permettent de suivre le mouvement axial de la couronne (14) correspondant à l'usure des bagues de frottement (5) et (9). 2. Dispositif à garniture d'êtanct 3. Dispositif à garniture d'étanchéité à frottement latéral, sel on la revendie ai ion 2 > a 1' a r' t é r i s é @ par Je fait que les ergots (28) sont munis d'une plaquette (23) transversale dont les extrémités rejoi@@ent les ressorts de pression (15) au point de contact de ces derniers avec la couronne (14). 4. Dispositif à @arniture d'étanchéité à frottement latéral, selon la revendication 1, c a r a c t é r i s é par le fait que les ergots (2P) dans leur partie placée dans les cavites (21) du flasnue (11) sont enrobés d'un matériau (24) élastique et à bas coefficient de frottement. 5. Dispositif h garniture d'étanchéité à frottement latéral, selon la revendication 1, c a r a c t é r i s è par le fait que le collier de soutien (4) dc la bague de frottement mobile (5) est fixé sur l'arbre (3) par l'intermédiaire d'une frette (25), venue de matière, appliquée sur l'arbre (3) à l'aide d'une vis de serrage (26) radiale. 6. Dispositif à garniture d'étanchéité à frottement latéral, selon la revendication 5, c a r a c t é r i s é par le fait que la frette (25) est constituée par un élément rapporté au collier (4) de soutien de la bague de frottement mobile (5). 7. Dispositif à garniture d'étanchéité à frottement latéral, selon la revendication 1, dans lequel l'étanchéité du contact de la couronne (14) sur le flasque (11) est assurée au moyen de joints toriques (le) et (19) disposés de part et d'autre de la chambre annulaire (22) réalisée dans le flasque (11) et dans laquelle siège la couronne (14), c a r a c t é r i s é par le fait qu'un joint racleur (28) est disposé cn amont du joint torique extérieur (18). 8. Dispositif à garniture d'étanchéité à frottement latéral, selon la revendication 1, c a r a c t é r i s é par le fait que le volume intérieur de le chambre annulaire (22) présente des moyens de communication contrôlés avec l'atmosphère extérieure. 9. Dispositif à qariture d'étanchéité à frottement latéral, selon la revendication 8, e a r a c t é r i s é par le fait que les moyens de communication contrôlés se présentent sous la forme de soupapes (29) et (30) disposées sur le flasque (11). 10. Dispositif à garniture d'étanchéité à frottement latéral, selon la revendication 1, dans lequel un fluide neutre tampon (38) est disposé entre un double joint (36) et (37), c a r a c t 6 r i s é par le fait qu'il comprend un flasque (39) présentant une double cavité annulaire (40) et' (41) disposée dans chacune de ses faces latérales et qui sert à recevoir une couronne fixe (42) et (43) de soutien de la bague de frottement fixe des joints (36) et (37).