Brevet FR2646888A1 — publié le 19901116

Dispositif d'étanchement pour arbre tournant, notamment pour arbre tournant à grande vitesse. La présente invention concerne des perfectionnements apportés aux dispositifs d'étanchement pour arbre tournant, notamment pour arbre tournant à grande vitesse, ce dispositif devant pouvoir supporter des pressions importantes en fonctionnement dynamique et statique. Certains types de machines, par exemple des moteurs hydrauliques, fonctionnent sous des pressions de fluide importantes, par exemple une pression en dynamique de 30 40 bars et une pression en statique qui peut être supérieure à 175 bars; Lorsque ces machines sont équipées d'un arbre de sortie de petit diamètre (par exemple d'environ 20 mm ou moins) tournant à grande vitesse (par exemple 1500 t/mn ou plus), il se pose le problème d'assurer un étanchement efficace à la traversée du carter de la machine. On connaît des joints annulaires à lèvres (joints à lèvre simple, joints à double lèvre en U) qui sont étudiés pour assurer l'étanchement pour un arbre tournant, mais dont la structure ne permet pas de remplir cette fonction sous des pressions élevées. En particulier, des joints connus å double lèvre à section transversale en U sont constitués en un matériau relativement souple, tel que le matériau connu sous la marque TEFLON ; les lèvres ne sont alors pas suffisamment rigides et doivent être renforcées a l'aide d'un ressort annulaire engagé entre elles ; ce ressort, ayant un diamètre sensiblement supérieur à l'intervalle séparant les lèvres, les repousse à l'écart l'une de l'autre et les applique l'une contre une portée de support et l'autre contre l'arbre. -Toutefois, les efforts exercés par le ressort sur les deux lèvres sont identiques tandis que les forces antagonistes sont notablement différentes et il en résulte des fuites au niveau de l'une ou de l'autre des lèvres. D'autres types de joints sont certes conçus pour supporter des pressions élevées, mais ils sont alors trop rigides et épousent mal le contour d'un arbre de petit diamètre ; en cas de déplacements radiaux de l'arbre, l'étanchement n'est plus assuré de façon parfaite et il en résulte des fuites. Il est certes également possible de faire procéder à des fabrications spéciales de joints parfaitement adaptés aux conditions particulières précitées. Toutefois, il est compréhensible que le coût de tels joints, fabriqués en petite série, est très élevé et que les conditions d'approvisionnement ne sont pas favorables. L'invention a donc essentiellement pour but de proposer un dispositif d'étanchement répondant aux conditions particulières précitées, qui puisse être réalisé sans contrainte technique à partir de joints couramment disponibles dans le commerce, avec un coût faible et un montage facile, qui ne nécessite pas de modifications importantes au niveau des portées de support, voire qui puisse être positionné en lieu et place de joints traditionnels ne donnant pas satisfaction, dans les mêmes cotes d'encombrement que ceux-ci. A ces fins, un dispositif d'étanchement conforme à l'invention se caractérise essentiellement - en ce qu'il comprend un joint d'étanchement annulaire à double lèvre, en soi connu, ayant en section transversale la forme générale d'un U couché ouvert du côté de la haute pression et constitué en un matériau élastiquement déformable résistant à l'extrusion, a la chaleur et aux frottements et ayant un faible coefficient de frottement, - en ce qu'un ressort annulaire ou analogue entoure la lèvre annulaire interne et la maintient plaquée contre la surface de l'arbre, ce ressort ayant une dimension transversale inférieure ou égale a la distance séparant les deux faces respectives en regard des deux lèvres, - et en ce qu'une bague annulaire de pression élastique entoure la lèvre externe et est interposée de façon étanche entre cette lèvre externe et une portée annulaire de support située en regard de celle-ci. De la sorte, les efforts exercés sur les deux lèvres sont en grande partie dissociables : en agissant sur la longueur du ressort, on intervient directement et uniquement sur le serrage de la lèvre interne, tandis que le serrage de la lèvre externe est obtenue de façon indépendante, par un choix approprié des dimensions de la bague annulaire précitée. Cette différenciation des efforts exercés sur les lèvres et des fonctions assurées par ces lèvres conduit à l'assurance d'un étanchement parfait, même dans le cas d'un arbre de petit diamètre tournant å grande vitesse, et meme dans le cas où cet arbre subit des déplacements radiaux (transversaux) puisque la lèvre intérieure conserve sa souplesse et reste bien appliquée sur la surface de l'arbre. De préférence, la dimension transversale du ressort annulaire est sensiblement égale à la distance séparant les deux forces respectives en regard des deux lèvres ; de la sorte, par son diamètre extérieur, le ressort sert d'appui à la lèvre externe du joint, sans toutefois exercer un quelconque effort sur celle-ci. Avantageusement, la bague annulaire de pression élastique est constituée en un matériau élastiquement déformable, notamment en élastomère Perbunan ou Viton. Il est également avantageux que le ressort annulaire entourant la levure intérieure soit un ressort spiral annulaire, de manière que les efforts exercés par celui-ci sur la lèvre intérieure soient régulièrement et uniformément répartis sur toute la périphérie de l'arbre De préférence, le dispositif d'étanchement comporte en outre une rondelle de soutien disposée en arrière du joint et sur laquelle prend appui le talon du joint. De façon souhaitable, cette rondelle de soutien possède sur au moins une de ses faces, une surface annulaire munie de reliefs sur lesquels s'incruste le matériau du talon du joint, ce grâce à quoi le joint est bloqué en rotation ; les reliefs peuvent comprendre des stries sensiblement radiales. On peut également prévoir une rondelle de blocage en avant du joint (côté haute pression) et une rondelle de blocage en arrière du joint ou de la rondelle de soutien. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit d'un mode de. réalisation détaillé donné uniquement à titre d'exemple non limitatif. Dans cette description on se réfère au dessin annexé sur lequel - la fig. 1 est une vue en coupe diamétrale d'un arbre tournant équipé d'un dispositif d'étanchement conforme à l'invention ; et - la fig. 2 est une vue de face, a échelle différente, d'une rondelle de soutien incluse dans le dispositif d'étanchement montré à la fig. 1. La référence 1 désigne une paroi de carter de machine renfermant un fluide sous pression élevée (à droite sur la fig. 1), qui est munie d'une ouverture 2 pour le passage d'un arbre 3, pouvant avoir un diamètre réduit et tourner à grande vitesse. Un dispositif d'étanchement 4 est interposé entre l'arbre 3 et une portée 4 de support délimitant l'ouverture 2, pour assurer l'étanchéité de la traversée de l'arbre 3. Le dispositif d'étanchement 4 comprend un joint annulaire d'étanchement 6 à double lèvre (avec une lèvre intérieure 7 appuyée sur l'arbre 3 et une lèvre extérieure 8) ; ce joint a donc, en section transversale, la forme générale d'un U couché ouvert du côté de la haute pression. Il est constitué en un matériau élastiquement déformable relativement souple, résistant à l'extrusion, à la chaleur et aux frottements et ayant un faible coefficient de frottement, par exemple en TEFLON qui possède des caractéristiques favorables d'autolubrification. Un tel joint est connu en soi et est couramment disponible dans le commerce. Un ressort spiral annulaire 9 (ou tout autre organe analogue) entoure la lèvre intérieure 7 et la maintient plaquée contre la surface de l'arbre 3. Le diamètre du ressort 9 est inférieur ou égal à la distance séparant les deux lèvres 7 et 8, de telle manière qu'il ne soit pas en contact avec la lèvre extérieure 8 et qu'il n'influe pas sur le comportement de celle-ci. De préférence, la dimension transversale du ressort annulaire est sensiblement égale à la distance séparant les deux forces respectives en regard des deux lèvres ; de la sorte, par son diamètre extérieur, le ressort sert d'appui à la lèvre externe du joint, sans toutefois exercer un quelconque effort sur celle-ci. Enfin, une bague annulaire de pression élastique 10, constituée en un matériau élastiquement déformable, par exemple en élastomère Perbunan ou Vison, entoure la lèvre extérieure 8 et est interposée entre celle-ci et la portée annulaire 5. Une rondelle de soutien 11 est disposée en arrière du joint 6 (c'est-à-dire du côté opposé à la haute pression) et le talon 12 du joint (ctest-à-dire la base du U reliant les deux lèvres) est en appui sur cette rondelle. Comme visible à la fig. 2, une zone annulaire centrale 13 d'une des faces de la rondelle de soutien 11 est munie de reliefs sur lesquels s'incruste le matériau du talon 12 du joint. Comme représenté, ces reliefs peuvent comporter des stries sensiblement radiales. Grâce à cet agencement, le joint 6 est solidarisé en rotation à la rondelle de soutien 11 et ne peut plus tourner sous l'action d'entrainement de l'arbre 3 en rotation. Une rondelle de blocage axial 14 est disposée en arrière du joint 6 ou, lorsque celle-ci existe, en arrière de la rondelle de soutien 11. La rondelle de blocage 14 est élastiquement déformable radialement et est engagée partiellement dans une gorge annulaire 15 creusée dans la portée annulaire 5. En avant du joint, l'ouverture 2 présente un épaulement annulaire radial de retenue 16. Dans le cas d'un carter en un matériau coulé sous pression, une seconde rondelle de blocage axial 17 est disposée en avant du joint, entre celui-ci et l'épaulement 16 (cas représenté à la fig. 1). Dans les autres cas (avec un passage d'arbre ayant un diamètre inférieur à environ 23 mm), le joint 6 peut prendre appui vers l'avant directement contre la surface de l'épaulement 16. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus particulièrement envisagés elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Dispositif (4) d'étanchement annulaire pour un arbre tournant (3), notamment un arbre tournant à vitesse élevée, ce dispositif devant pouvoir supporter des pressions importantes en fonctionnement dynamique et statique, caractérisé : - en ce qu'il comprend un joint d'étanchement annulaire (6) à double lèvre (7, 8), en soi connu, ayant en section transversale la forme générale d'un U couché ouvert du côté de la haute pression et constitué en un matériau élastiquement déformable relativement souple, résistant à l'extrusion, à la chaleur et aux frotte ments et ayant un faible coefficient de frottement, - en ce qu'un ressort annulaire (9) ou analogue entoure la lèvre annulaire interne (7) et la maintient plaquée contre la surface de l'arbre (3), ce ressort ayant une dimension transversale inférieure ou égale à la distance séparant les deux faces respectives en regard des deux ivres (7, 8), - et en ce qu'une bague annulaire de pression élastique (10) entoure la lèvre externe (8) et est interposée de façon étanche entre cette levre externe (8) et une portée annulaire de support (5) située en regard de celle-ci. 2. Dispositif d'ébauchement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la dimension transversale du ressort annulaire (9) est sensiblement égale à la distance séparant les deux faces respectives en regard des deux lèvres (7,8). 3. Dispositif d'étanchement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la bague annulaire de pression élastique (10) est constituée en un matériau élastiquement déformable. 4. Dispositif d'étanchement selon la revendication 3, caractérisé en ce que la bague annulaire de pression élastique (10) est constituée en élastomère. 5. Dispositif d'étanchement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le ressort annulaire (9) entourant la lèvre intérieure est un ressort spiral annulaire. 6. Dispositif d'étanchement selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une rondelle de soutien (11) disposée en arrière du joint (6) et sur laquelle prend appui le talon (12) du joint. 7. Dispositif d'étanchement selon la revendication 6, caractérisé en ce que la rondelle de soutien (11) possede sur au moins une de ses faces, une surface annulaire (13) munie de reliefs sur lesquels s'incruste le matériau du talon (12) du joint, ce grâce à quoi le joint (6) est bloqué en rotation. 8. Dispositif d'étanchement selon la revendication 7, caractérisé en ce que les reliefs comprennent des stries sensiblement radiales. 9. Dispositif d'étanchement selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une rondelle de blocage axial (14) située en arrière du joint (6) ou de la rondelle de soutien (11). 10. Dispositif d'étanchement selon la revendication 9, caractérisé en ce que la rondelle de blocage axial arrière (14) est élastiquement déformable radialement et en ce qu'elle est engagée partiellement dans une gouttiere annulaire (15) creusée dans la portée annulaire de support (5). 11. Dispositif d'étanchement selon l'une. quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une rondelle de blocage axial (17) située en avant du joint. 12. Dispositif d'étanchement selon la revendication 11, caractérisé en ce que la rondelle de blocage axial avant (17) est en appui contre un épaulement annulaire radial (16) de la portée annulaire de support (5).