Brevet FR2656902A1 — publié le 19910712

DISPOSITIF D'ETANCHEITE POUR POMPE, EN PARTICULIER POUR POMPE A EAU DE CIRCUIT DE REFROIDISSEMENT Actuellement, l'étanchéité est assurée dans les pompes par des garnitures mécaniques, disposées entre le circuit du fluide en écoulement et le mécanisme d'entrainement en rotation de la turbine ou analogue. Le principe d'étanchéité mis en oeuvre dans ces dispositifs consiste à solidariser un joint annulaire de l'arbre d'entrainement et à assurer l'application de sa lèvre périphérique contre la surface annulaire d'une contrebague de frottement fixe entourant l'arbre et solidaire du carter. Les surfaces frottantes comprennent souvent une matière synthétique et une céramique. Le but de la présente invention est d'éviter les inconvénients inhérents à ce type d'étanchéité, notamment dans les pompes à eau de refroidissement pour les véhicules automobiles, et en particulier - de diminuer l'encombrement et notamment l'encombrement axial du dispositif d'étanchéité - de diminuer le prix de revient du dispositif en le rendant plus simple ; et - d'en augmenter la fiabilité, en particulier en le rendant chimiquement plus résistant vis--vis du mélange eau-glycol. Un autre but important de l'invention est de diminuer en fonctionnement la pression que le fluide en circulation est susceptible d'exercer sur la lèvre du joint d'étanchéité. Tous ces buts sont atteints, conformément à l'invention, par un dispositif d'étanchéité pour pompe, en particulier pour pompe à eau de circuit de refroidisse- ment, pour assurer l'étanchéité entre le circuit du fluide en écoulement et le mécanisme d'entraînement en rotation de l'arbre de la turbine ou analogue, un tel dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte d'une part un joint en élastomère, fixe ou solidaire en rotation dudit arbre, pourvu d'au moins une lèvre d'étan chéité en appui radial et/ou axial sur l'arbre et/ou une surface de frottement solidaire de l'arbre ou respectivement une surface de frottement fixe, et d'autre part un système de pompage hydrodynamique disposé dans un espace situé entre ce joint et ledit circuit de fluide, et propre à refouler le fluide de cet espace vers ledit circuit, afin de diminuer la pression s'exerçant sur ledit joint. Différents modes d'éxécution de l'invention vont maintenant être décrits à titre d'exemples nullement limitatifs, avec référence aux figures du dessin annexé dans lequel - la figure 1 est une demi-coupe axiale d'un dispositif d'étanchéité conforme à l'invention - la figure 2 montre une variante du dispositif de la figure 1 - les figures 3 et 4 montrent deux autres variantes du dispositif - les figures 5 et 6, plus partielles, montrent encore deux autres variantes du dispositif ; et - la figure 7 est une vue en coupe partielle selon la ligne VII-VII de la figure 6. Dans le mode de réalisation de la figure 1, le joint annulaire, entourant l'arbre d'entrainement 3 de la turbine de la pompe (turbine non représentée sur cette figure), a été référencé généralement en 1 et sa lèvre d'étanchéité en 2. Le matériau constituant ce joint peut être par exemple un élastomère chargé de graphite, ayant une bonne tenue chimique au contact des mélanges eau-glycol jusqu'aux températures de l'ordre de 110 C, ainsi qu'une bonne résistance à l'usure. On peut utiliser å cet effet par exemple une formulation à base d'EPDM. Le joint est adhérisé sur une cuvette métallique 4 et emmanché dans une paroi cylindrique 5 du carter de la pompe jusqu'à venir au contact d'une butée annulaire 6 constituée d'une rondelle ou d'un circlips et bloquée dans ce carter pour servir d'appui au joint. Ce joint 1 est du type dit à sillon, ce sillon étant référencé en 7 et conférant à la lèvre 2 la souplesse ainsi que la résistance à l'usure et à la pression nécessaires. En 8, par ailleurs, il comporte une gorge annulaire extérieure propre à recevoir un jonc élastique de maintien 9. Conformément à une caractéristique de 1 'inven- tion, le dispositif d'étanchéité comporte également une bague d'appui périphérique 10 destinée a augmenter encore la résistance à la pression du joint 1 et constituée avantageusement d'un polyester chargé de fibres de verre de renforcement ; elle pourrait cependant être en métal. Cette bague d'appui entoure étroitement l'arbre 3 et est elle-même en appui sur la plaque de butée 6 ; elle est calée par ailleurs par une partie en bourrelet 11 qui se clipse dans une autre gorge annulaire 12 du joint 1, de sorte que l'ensemble joint-bague d'appui peut être livré monobloc. Un tel joint 1 peut ainsi résister à des pressions élevées, jusqu'à 6 bars et plus. Pour diminuer la pression qui s'exerce sur le joint 1, on a prévu, conformément à une autre disposition de l'invention, de disposer un système de pompage hydrodynamique entre le joint 1 et le circuit du fluide pompé, localisé par la référence 13. Dans ce mode de réalisation de la figure 1, ce système est essentiellement constitué par un genre d'écrou 14 à gorge héli cotidale 15, enfilé sur arbre 3 et constitué par exemple d'une cuvette annulaire métallique 16 enrobée dans une masse d'élastomère, de polyester ou de pol amide 17 ; il pourrait s'agir aussi d'une pièce métallique usinée. Le sens de la gorge hélicoidale 15 est bien entendu tel, en fonction du sens de rotation de l'arbre 3, que l'eau ou autre fluide se trouvant entre l'écrou 14 et l'arbre 3 se trouve repoussé vers l'espace 13.Le joint 1 et l'écrou 14 peuvent constituer un ensemble monobloc ou être livrés séparément, auquel cas l'écrou 14 peut être collé à l'intérieur de la cuvette 4. Dans le mode de réalisation représenté en variante à la figure 2, on a utilisé les mêmes références que sur la figure 1 pour désigner les mêmes organes ou parties. Le système de pompage hydrodynamique n'a pas été représenté sur cette figure ; il peut être identique à celui de la figure 1. Dans la variante de la figure 2, la lèvre 2 du joint est constituée par un talon en PTFE, ce qui permet de diminuer encore le frottement et l'usure ; ce PTFE peut être chargé à cet effet de graphite (diminution des frottements) et armé de fibres de verre (diminution de l'usure et augmentation de la résistance mécanique). Ce mode de réalisation se distingue aussi du mode de réalisation précédent par le fait que la lèvre 2 du joint 1 ne porte pas directement sur la surface de l'arbre 3. Elle porte contre la surface soigneusement préparée 18 d'une bague rapportée 19 montée sur l'arbre 3. Pour avoir une excellente étanchéité dynamique, l'état de surface voulu en 18 peut être obtenu par rectification, galetage, ou encore par un médaillage assuré au moment de l'emboutissage de la bague 19, la surface de la matrice venant s'imprimer sur la surface 18 par un choix particulier des dimensions et de l'élasticité des outils d'emboutissage. Ces dispositions permettent d'éviter la nécessité d'une telle qualité de surface irréprochable sur l'arbre 3. La bague 19 peut être montée sur l'arbre soit directement, soit par l'intermédiaire d'un matelas d'élastomère 20 assurant l'étanchéité statique entre la bague et l'arbre. Il est à noter en outre que la bague 19 comporte une collerette 21 destinée à centrifuger les fuites. Le rebord 22, par ailleurs, constitue une butée d'arrêt permettant à la bague d'être solidaire du joint pendant le transport, ce qui permet de livrer un ensemble monobloc. On voit par ailleurs, dans cette figure 2, que la plaque 6 a été remplacée par une autre cuvette 6' sur le fond de laquelle le joint 1 vient seulement prendre appui, par un bourrelet 23. Cette cuvette 6' est fixée sur la paroi 5 par l'intermédiaire d'un coussin d'étanchéité en élastomère 24. Dans les modes de réalisation des figures 3 et 4, on a représenté en 25 le moyeu de la turbine de la pompe, laquelle turbine est pourvue sur ses deux faces d'aubes 26 et 27, les aubes 26 assurant le pompage du fluide, et les aubes 27 participant au pompage hydrodynamique, comme ceci sera vu plus bas. Le moyeu 25 de la turbine, qui est emmanché à force sur l'arbre 3, lequel peut être pourvu à cet effet de fines cannelures, est de préférence borgne, ce qui élimine les fuites statiques entre l'espace de pompage 13 et l'arbre (une rainure 28 permet l'évacuation, lors du montage, de l'air emprisonné dans le moyeu). L'extrémité intérieure 29 de ce moyeu 25 porte une armature en inox 30 constituant des pistes pour l'appui radial de deux lèvres d'étanchéité 2a et 2b d'un joint en élastomère encore référencé 1, emmanché dans un logement en forme de cuvette du corps de pompe 31, et pouvant avoir les mêmes caractéristiques chimiques et mécaniques que les joints 1 des modes de réalisation précédents. La lèvre 2a, relativement courte et trapue, peut être considérée comme constituant la lèvre principale du joint 1, destinée à résister à la pression du fluide pompé, ce joint ayant d'ailleurs pour rôle essentiel d'assurer l'étanchéité statique ou à faible vitesse l'étanchéité dynamique aux vitesses de fonctionnement normales (800 à 8000 t/min) est en effet assurée par les ailettes 27 du système de pompage hydrodynamique qui tendent, lors de la rotation de la turbine, à évacuer la cavité 32 ménagée entre ces ailettes et le corps 31 de la pompe, cette cavité étant obturée par la lèvre 2a. Il est également à noter que les aubes 27 de la turbine sont calculées pour qu'à débit nul la pression engendrée par elles soit supérieure à la pression engendrée par les aubes de mise en circulation 26, ceci pour empêcher tout retour de fluide dans la cavité 32. Quant à la lèvre 2b du joint 1, elle constitue une lèvre secondaire et sert surtout en cas de défaillance de la lèvre 2a. Ces lèvres délimitent entre elles une cavité 33 qui peut être remplie d'une graisse hydrophobe ayant pour rôle de lubrifier le contact entre les lèvres et les pistes de l'armature 30, ainsi que de constituer une barrière supplémentaire vis-à-vis du fluide pompé. En 34, on a représenté aussi, dans le mode de réalisation de la figure 3, un déflecteur calé sur l'arbre 3 et servant à centrifuger les fuites éventuelles pour les évacuer par un passage 35. Ce déflecteur peut être constitué par une bague en tôle ou en matière plastique, bien entendu monté sur l'arbre avant la turbine. La référence 36 désigne une chicane renfor çant la protection assurée par le déflecteur 34 et empêchant que les fuites éventuelles ne parviennent aux roulements de l'arbre. Il est à noter que si l'état de surface du moyeu 25 de la turbine le permet, on peut se dispenser de l'armature 30, les lèvres du joint 1 portant alors directement sur ce moyeu. Dans la variante de réalisation représentée à la figure 4, les organes ou parties du dispositif semblables ou ayant le même rôle que dans les dispositifs des figures 1 à 3 ont été dans la mesure du possible désignés par les mêmes références. Dans ce mode de réalisation, la différence essentielle avec celui de la figure 3 réside dans le fait que le joint 1 est tournant ; il est en effet monté sur le moyeu 25 de la turbine. Ses lèvres 2a et 2b portent sur les pistes d'une armature 30 fixée au corps de pompe 31, l'appui de la lèvre principale 2a étant radial, et l'appui de la lèvre auxiliaire 2b étant axial. Le fonctionnement de ce dispositif est par ailleurs essentiellement le même que celui du dispositif de la figure 3. Il y a lieu de noter cependant que l'étanchéité assurée par les lèvres 2b et surtout 2a est renforcée, puisque ces lèvres sont alors soumises à la force centrifuge lors de la rotation de la turbine. Dans le mode de réalisation de la figure 5, mettant également en oeuvre une turbine de pompage du fluide (ailettes de mise en circulation 26), les fuites éventuelles parvenant à l'espace 32 sont évacuées par des passages ménagés dans la turbine. Ces passages (au nombre d'au moins deux pour l'équilibrage) comprennent chacun une partie axiale d'aspiration 37 ménagée dans le moyeu 25 et débouchant dans la cavité 32, à cette partie axiale faisant suite une partie radiale 38 ménagée dans la base 39 des aubes 26 de pompage et permettant la centrifugation des fuites. Pour éviter ou limiter leurs possibilités de retour vers la cavité 32, on a prévu, sur le moyeu 25, un labyrinthe 40 à la base de l'espace 41 ménagé entre la turbine et le corps 31 de la pompe. L'ajustement du pompage hydrodynamique ainsi assuré par les passages 37, 38 est obtenu par un choix approprié de leur nombre et/ou de leur section. Dans le mode de réalisation de la figure 6, on a prévu dans la base 39 des aubes de pompage 26 un certain nombre de cannelures radiales 42 ayant aussi pour effet de centrifuger les fuites éventuelles, la base de ces cannelures communiquant avec la cavité 32. La vue en coupe transversale de la figure 7 montre que ces cannelures peuvent avoir une section rectangulaire. Comme dans le cas de la figure 5, ces passages sont régulièrement répartis sur la circonférence de la turbine, pour des raisons d'équilibrage. L'ajustement du pompage hydrodynamique peut être obtenu par un choix approprié du nombre et/ou de la section des cannelures 42, ainsi que du jeu assuré par l'espace 41. Là encore on peut prévoir un labyrinthe sur le moyeu 25 de la turbine. REVENDICATIONS 1. Dipositif d'étanchéité pour pompe, en particulier pour pompe à eau de circuit de refroidissement, pour assurer l'étanchéité entre le circuit (13) du fluide en écoulement et le mécanisme d'entrainement en rotation de l'arbre (3) de la turbine ou analogue, caractérisé en ce qu'il comporte d'une part un joint (1) en élastomère, fixe ou solidaire en rotation dudit arbre, pourvu d'au moins une lèvre d'étanchéité (2) en appui radial et/ou axial sur l'arbre (3) et/ou une surface de frottement (18) solidaire de l'arbre (3) ou respectivement une surface de frottement fixe (30), et d'autre part un système de pompage hydrodynamique (14, 27) disposé dans un espace situé entre ce joint (1) et ledit circuit (13) de fluide, et propre à refouler le fluide de cet espace vers ledit circuit, afin de diminuer la pression s'exerçant sur ledit joint (1). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit joint (1) est solidarisé du corps de pompe (31) et est mis axialement en butée sur une bague d'appui périphérique (10) elle-même en appui sur une butée annulaire (6, 6') bloquée dans ledit corps. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite bague d'appui (10) est constituée d'un polyester chargé de fibres de renforcement. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la lèvre (2) du joint (1) est en appui radial directement sur l'arbre d'entraînement (3). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la lèvre (2) du joint (1) est en appui radial sur la surface (18) d'une bague (19) calée sur l'arbre. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit système de pompage hydrodynamique comporte un genre d'écrou (14) enfilé sur l'arbre (3) et calé par rapport au carter de pompe, cet écrou comportant une gorge hélicoîdale interne (15) de sens tel que la rotation dudit arbre (3) entraine le refoulement du fluide vers son circuit d'écoulement (13). 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pompage étant assuré par les ailettes (26) d'une turbine, la ou les surfaces de portée dudit joint (1) sont constituées par une armature (30) fixée sur le moyeu (25) de ladite turbine, ou sont constituées directement sur ce moyeu. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit système de pompage hydrodynamique est assuré par d'autres ailettes (27) de la turbine, agencées pour qu'en cours de fonctionnement elles évacuent l'espace (32) ménagé entre ladite turbine et la lèvre (2, 2a) dudit joint (1). 9. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit système de pompage hydrodynamique est assuré par des passages ménagés dans la turbine et comportant dans le moyeu (25) une partie axiale d'aspi- ration (37) débouchant dans la cavité (32) ménagée entre la turbine et le corps de la pompe et, dans la base des aubes (26) de pompage, une partie radiale (38) faisant suite à la précédente et permettant la centrifugation des fuites. 10. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit système de pompage hydrodynamique est assuré par des cannelures radiales de centrifugation (42) ménagées dans la base (39) des aubes (26) de pompage, à l'opposé de ces dernières. 11. Dispositif selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce qu'il comporte un labyrinthe (40) à la base du passage ménagé derrière la turbine, entre celle ci et le corps de la pompe, pour limiter la possibilité de retour des fuites centrifugées. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit joint (1) possède deux lèvres d'étanchéité (2a, 2b). 13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'espace annulaire (33) ménagé entre les deux dites lèvres d'étanchéité du joint (1) est rempli d'une graisse hydrophobe. 14. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit joint (1) est solidarisé d'une partie tournante (25) de la pompe, sa ou ses lèvres (2a, 2b) portant sur une armature (30) solidarisée du corps de pompe (31). 15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une collerette (21, 34) de centrifugation des fuites. 16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le joint (1) est constitué d'un élastomère chargé de graphite. 17. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la lèvre (2) dudit joint (1) est constituée sous la forme d'un talon en PTFE.