Brevet FR2676793A1 — publié le 19921127

SYSTEME DE JOINT FLOTTANT La présente invention concerne des actionneurs hydrauliques ou pneumatiques tels que les vérins linéaires, et se réfère plus particulièrement à un joint de tige équilibré qui empêche ou S limite les fuites externes lorsque la tige passe à travers une barrière de pression, mais qui évite le frottement important qui souvent accompagne les joints de tige commandés par pression. Plusieurs types de joints sont sollicités par la pression qu'ils sont censés contrôler Cette sollicitation par la pression produit un effort radial sur le joint L'effort radial provoque une usure du joint, et diminue la longévité du joint Ceci exige des remises en état fréquentes du vérin De plus, l'effort radial provenant du joint sous pression est souvent la source de frottement principale dans le vérin. Les vérins hydrauliques ou pneumatiques qui sont utilisés pour un service spécial, comme sur les simulateurs de vol ou les cisailles volantes, emploient souvent des paliers hydrostatiques pour améliorer la longévité des paliers et les caractéristiques de frottement Cependant, ces paliers sont très élaborés et sont onéreux à produire, mais produisent toujours des fuites importantes qui s'ajoutent aux besoins d'énergie hydraulique. Un objet de cette invention est de produire un Joint de tige à faible frottement et grande longévité, qui puisse être produit à un faible prix de revient, et qui évite les problèmes de la technique antérieure. Les objets de cette invention peuvent être réalisés avec un joint de tige qui "flotte; dans le sens radial Pour ce faire, la tige peut être soutenue oar une bague élastomère séparée qui serve de palier séparé. Dans une réalisation de cette invention, le joint de -2- tige emploie une bague d'étanchéité de tige qui s'adaote étroitement à la tige du vérin, mais permet un libre mouvement dans le sens radial, au moins sur une distance limitée, tandis que la tige se déplace axialement dans le joint et le palier de tige En raison du jeu radial, le mouvement axial de la tige n'est pas gêné par le joint de tige Les contraintes de contact entre la tige et le joint flottant sont insignifiantes Par conséquent, le frottement qui se développe ordinairement entre le joint et la tige *est pratiquement éliminé En raison du faible frottement, on peut prévoir une grande longévité en service avec une faible usure, même en service sévère De plus, des surfaces d'équilibre de pression sont prévues sur le joint de la tige, et celles-ci peuvent être isolées au moyen de bagues d'étanchéité statiques élastomères Ces bagues d'étanchéité peuvent être constituées de matière qui réduise le frottement radial du joint au minimum. D'après un aspect de cette invention, la bague d'étanchéité de tige est formée, par exemple, de fonte ou de matière durable similaire, la bague d'étancnéité ayant un diamètre intérieur qui correspond étroitement au diamètre de la tige Il y a des parties cylindriques proximales et distales sur la bague d'étanchéité de la tige, et une bride annulaire centrale qui a un diamètre qui est su Dérieur aux diamètres des parties proximale et distale Un évidement annulaire ou fente dans la bride annulaire -, centrale supporte une bague d'étanchéité centrale dont le diamètre extérieur est au moins légèrement supérieur à celui de la bride annulaire centrale et qui bénéficie d'un jeu radial d'une importance limitée dans l'évidement annulaire. Un siège généralement cylindrique pour le joint -ô d'étanchéité de tige est formé côté distal au logement du vérin, et a des parties cylindriques proximale et distale pour recevoir les parties proximale et distale de la bague d'étanchéité de la tige, en laissant un faible jeu radial pour chacune Un vide annulaire entre les parties proximale et distale du siège reçoit la bride annulaire Ce vide a une base généralement cylindrique qui définit un petit jeu radial par rapport à la bride annulaire. La bague d'étanchéité centrale bute contre cette face cylindrique. Les évidements annulaires proximal et distal dans les parties cylindriques proximale et distale du siège reçoivent des bagues d'étanchéité qui bénéficient chacune de jeu radial dans leurs évidements respectifs Ces bagues d'étanchéité ont des faces intérieures qui plaquent contre les parties cylindriques des joints de tige Des zones d'équilibre de pression sont définies entre les bagues d'étanchéité proximale et distale respectives et la bague d'étanchéité centrale Des orifices d'équilibrage de pression traversent la bague d'étanchéité de tige depuis le côté proximal jusqu'à l'espace entre les bagues d'étanchéité centrales et la bague d'étanchéité distale, et depuis le côté distal Jusqu'à un espace entre la bague d'étanchéité proximale et la bague d'étanchéité centrale. Les objets, caractéristiques et avantages ci-dessus et bien d'autres, de cette invention seront mieux compris d'après la description qui suit d'une réalisation préférée, description qui doit être lue en liaison avec le plan d'accompagnement. La Fig 1 est une vue en section d'une partie distale d'un actionneur au vérin hydraulique, comportant un Joint de tige flottant d'après une réalisation de la présente invention. La Fig 2 est un agrandissement d'une partie de la Fig. 1 représentant la bague d'étanchéité de la tige et le siège. La Fia 3 est une vue schématique expliquant l'équilibrage de pression du joint de tige flottant. En se référant au p Ian, et initialement à la Fig 1, un vérin hyarauliaue 10 est -reorésenté sous sa partie adéquate. Ce vérin peut être du type généralement illustré dans le brevet 4- US n 4 691 621 Là, le vérin 10 a une chemise cylindrique 11 et une tige de piston mobile axialement 12 de section transversale circulaire La tige 12 a un piston (non représenté) qui est commandé hydrauliquement (ou pneumatiquement) dans la chemise 11 La Fig 1 représente un ensemble côté distal 13 par lequel la tige de piston 12 sort de la chemise 11 L'ensemble 13 a un orifice hydraulique 14 communiquant la pression du fluide à l'intérieur du vérin 10 Un connecteur ou raccord 15 est accouplé à une canalisation hydraulique Un branchement ou raccordement similaire (non représenté) est disposé côté proximal du vérin 10. L'ensemble côté distal 13 comprend une bague d'appui élastomère ou métallique 18 qui supporte radialement la tige 12 Une garniture 17 est contenue dans une bague de support 16, et un orifice de purge du fluide 19 est disposé proximalement à la bague d'appui 18. Un ensemble de joint de tige flottant 20 sert à contrôler les fuites de fluide nydraulique ou d'air comprimé à proximité de la bague d'appui 18 et de l'ensemble de garniture 16. 2 O Dans cette réalisation, l'ensemble de joint de tige 20 comprend une bague d'étanchéité de tige 21 (représentée en détail à la Fig 2) qui est constituée de préférence de fonte ou autre matière adéquate La bague 21 est généralement cylindrique, et a une partie proximale cylindrique 22 et une partie distale cylindrique 23 Il y a une partie annulaire ou bride centrale 24 de diamètre plus grand que les parties 22, 23 La bride 24 a un évidement annulaire ou fente 25 Une bague d'étanchéité élastomère 26 se trouve dans la fente 25 Dans cette réalisation, la oague d'étanchéité comorend deux bagues disposées dos à dos. Le joint 26 com Drena de préférence un élastomère avec du polytétrafluoroéthyiène ou une autre matière à faible frottement similaire pour faciliter le mouvement radial du -oint 26 dans - l'évidement ou la fente Des matières adéquates pourraient comporter du polyétheréthercétone (Arlon) ou polyimide (Vespel) (ARLON et VESPEL sont des marques déoosées). Dans l'ensemble côté acistal 13, est formé un siège 27 pour la bague d'étanchéité de tige 21 Le siège 27 comprend un vide annulaire 28 qui a une face cylindrique d'un diamètre légèrement supérieur à la bride annulaire 24 Cette face 29 coïncide avec la bague d'étanchéité 26, généralement suivant illustration Le siège 27 a également une partie proximale cylindrique 30 et une partie distale cylindrique 31 qui reçoivent les parties proximale et distale 22, 23 de la bague d'étanchéité de tige 21 Les parties 30, 31 ont un diamètre légèrement supérieur aux parties des bagues d'étanchéité 22, 23 pour permettre au moins un jeu radial limité Dans chacune des parties 30 et 31, il y a une fente annulaire ou évidement respectif 32 et 33 dans lequel est disposée une bague d'étanchéité 34 ou 35 qui ont chacune la même forme générale que la bague d'étanchéité 26 Il y a au moins un jeu limité des joints 34, 35, dans les fentes respectives 32, 33 Une face circulaire intérieure de chacun de ces joints 34, 35 vient contre la surface cylindrique des parties des bagues d'étanchéité respectives 22, 23 Dans d'autres réalisations équivalentes, les fentes 32, 33 pourraient être usinées dans la bague d'étanchéité 20 plutôt que dans l'ensemble de logement 13. 2 ^ 5 Dans la bague d'étanchéité de tige 21, il y a un alésage central 36 qui coincide étroitement avec le diamètre de la tige 12 L'alésage 36 permet le mouvement axial libre de la tige 12. Des gorges annulaires transversales 37 dans l'alésage 36 créent un Joint à labyrinthe pour résister à J'écoulement du fluide hyrauiique ou de l'Vair combrimé dans le jeu très faible entre la tige 12 et la paroi de l'alésage 36. Comme on fe Voit d'après ce qui précède, la bague d'étancnéité de la tige 11 S'adapte étroitement sur la tige du vérin 12 mais est libre de se déplacer radialement pendant que la tige se déplace dans la bague d'appui, sans être gênée par le joint L'ensemble de joint flottant 20 n'impose aucun effort radial sur la tige 12, puisque le support radial est assuré -, entièrement par l'ensemble d'appui d'extrémité 13 Puisqu'il n'y a pratiquement pas de contraintes de contact entre la tige 12 et l'ensemble de joint flottant 20, le frottement qui est normalement associé au joint de la tige de la technique antérieure n'est pas présent Ce faible niveau de frottement donne au vérin 10 une grande longévité en service, et le fait avec des besoins énergétiques réduits. L'ensemble de joint flottant 20 comprend un système d'équilibrage de pression qui peut s'expliquer facilement comme suit Les première et seconde zones d'équilibrage de pression de l'ensemble de joint 20 sont définies par les bagues d'étanchéité statiques La première zone est définie entre la bague d'étanchéité côté distal 35 et la bague d'étanchéité centrale 26, alors que la seconde zone est définie entre la bague d'étanchéité centrale 26 et la bague d'étanchéité côté proximal 34 Un premier orifice O d'équilibrage de pression 38 est disposé dans la bague d'étanchéité de tige 21 du côté proximal de celle-ci au côté distal de la bride 24, alors qu'un second orifice d'équilibrage de pression 39 est disposé du côté proximal de la bride 24 au côté distal de la bague d'étanchéité de la tige 21. Comme indiqué schématiquement à la Fig 3 grâce aux orifices d'équilibrage de pression 38 et 39, il y a des pressions égales Pl sur la face annulaire proximale de la bride 24 et sur la face annulaire extrême de la partie côté distal 23, et il y a également des pressions égaies P 2 sur la face annulaire distale = de la bride 24 et sur la face annulaire extrême de la partie côté proximal 22 Les parties extrêmes 22 et 23 ont des surfaces en section transversale effectives Ai et Bi, alors que les faces- annulaires proximales et distales de la bride 24 ont des surfaces 7effectives A 2 et B 2 L'effort axial F sur la bague d'étanchéité est la somme des produits des surfaces et des pressions respectivement appliquées sur elles, soit: -A Pl P + A 2 Pl + Bl P 2 B 2 P 2 = F Les surfaces dépendent des diamètres respectifs DR, DI et DO Pour un diamètre de tige donné, un diamètre d'orifice DR est établi, et les diamètres DI et DO peuvent être sélectionnés de telle sorte que AI = A 2 et Bl = B 2 Ceci produira un effort axial net de zéro pour toutes les pressions appliquées Pl et P 2. On peut noter d'après la description précédente et d'après les figures des plans que cet ensemble de joint est d'une construction simple et peut être produit à un coût relativement faible Cet ensemble de joint de tige produit des caractéristiques d'étanchéité au fluide très élevées avec un faible frottement axial. Bien que cette invention ait été décrite en détail en se référant à une réalisation préférée, on doit bien comprendre que l'invention n'est pas limitée à cette réalisation précise. Mais plutôt, beaucoup de modifications et variations apparaîtraient aux hommes de métier sans s'écarter du domaine d'application et de l'esprit de cette invention, suivant définition dans les revendications en annexe. -O _' REVENDICATIONS 1/ Joint de tige pour verin de commande linéaire, hydraulique ou pneumatique, du type dans lequel la tige ( 12) du piston de section transversale circulaire s'é- tend à travers un palier de support radial ( 13) situé du côté distal du logement ( 11) du verin, palier dans lequel un orifice hydraulique ( 14) est ménagé du côté distal dudit logement, pour appliquer ou supprimer l'air10 ou le fluide hydraulique commandant le verin, et pour déplacer la tige axialement, caractérisé en ce que le joint ( 20) de la tige comprend: un bague d'étanchéité ( 21), disposée entre l'ori- fice ( 14) et le palier de support radial ( 13), ladite bague d'étanchéité ayant un diamètre intérieur qui s'a- dapte étroitement au diamètre de la tige ( 12), compor- tant des parties cylindriques proximale ( 22) et distale ( 23) de diamètre prédéterminé, une bride annulaire centrale ( 24) ayant un diamè- tre prédéterminé supérieur au diamètre des parties pro- ximale ( 22) et distale ( 23), et présentant un évidement annulaire ( 25), une bague d'étanchéité centrale ( 26) ayant un diamètre extérieur supérieur à celui de la bride annu- laire centrale ( 24) et présentant un jeu radial limité dans l'évidement annulaire ( 25), un siège ( 27) généralement cylindrique, destiné à recevoir la bague d'étanchéité ( 26), réalisé côté distal du logement du verin, et présentant des parties cylin-30 driques proximale ( 30) et distale ( 31) pour recevoir les parties cylindriques proximale ( 22) et distale ( 23) de la bague d'étanchéité ( 21) de la tige ( 12) définissant entre elles un jeu radial, les parties proximale ( 30) et distale ( 31) du siège ( 27) définissant entre elles un vide annulaire destiné à recevoir la bride 2676793 annulaire ( 24) et présentant une face généralement cy- lindrique qui définit au moins un jeu radial limité par rapport à la bride annulaire ( 24) et dans laquelle la bague d'étanchéité centrale ( 26) vient plaquer, lesdites 5 parties proximale ( 30) et distale ( 31) du siège ( 27) comportant des évidements annulaires proximal ( 32) et distal ( 33) dans lesquels sont logées des bagues d'é- tanchéité proximale ( 34) et distale ( 35) respectivement, dont le jeu radial est limité dans leurs évidements res-10 pectifs, lesdites bagues présentant une face venant plaquer contre les parties proximale ( 22) et distale ( 23) de la bague d'étanchéité ( 21) et les parties cylin- driques de siège ( 27) proximale ( 30) et distale ( 31) respectivement, 15 un premier moyen d'équilibrage de pression, com- muniquant la pression du fluide proximalement de la bague d'étanchéité ( 21) à un premier espace défini entre la bague d'étanchéité centrale ( 26) et la bague d'étan- chéité distale ( 35),20 et un second moyen d'équilibrage de pression co- mmuniquant la pression du fluide distalement du joint ( 20) de la tige ( 12) par un second espace défini entre la bague d'étanchéité proximale ( 34) et la bague d'étan- chéité centrale ( 26).25 2/ Joint de tige selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'il est réalisé en fonte. 3/ Joint de tige selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le premier moyen d'équilibrage de pres- sion comprend au moins un orifice ( 38) allant d'une face proximale de la bague d'étanchéité ( 21) à une phase distale de la bride annulaire ( 24). 4/ Joint de tige selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le second moyen d'équilibrage de pres- sion comprend au moins un orifice ( 39) allant d'une 5 phase proximale de la bride annulaire ( 24) à la phase distale de la bague d'étanchéité ( 21). / Joint de tige selon la revendication 1, carac- térisé en ce que chacune des bagues d'étanchéité proxi- maie ( 34), centrale ( 26) et distale ( 35) comprend une bague réalisée de matière élastomère à faible résistance au frottement. 6/ Joint de tige selon le revendication 5, carac- térisé en ce que la première bague d'étanchéité ( 34) comprend du po Iytétrafluoroéthylène. 7/ Joint de tige selon la revendication 1, carac- térisé en ce que chacune-des bagues d'étanchéité proxi- maie ( 34), centrale ( 26) et distale ( 35) comprend une paire de bagues disposées côte à côte. 3/ Joint de zige selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le premier espace et la partie proxi- male ( 22) de la bague d'étanchéité ( 21) ont sensiblement la même surface effective en section transversale, et en ce que le second espace et la partie distale ( 23)de la bague d'étanchéité ont sensiblement la même surface effective en section transversale, de sorte que les ef-30 forts axiaux sur la bague d'étanchéité de tige imposée par la pression du fluide ont tendance à s'équilibrer mutuellement.