Brevet FR2706565A1 — publié le 19941223

"JOINT D'ETANCHEITE POUR ARBRE TOURNANT" La présente invention concerne un joint d'étanchéité pour arbre tournant, ce joint annulaire étant prévu pour être monté, et pour assurer l'étanchéité, entre un arbre tournant d'une machine ou d'un mécanisme et une partie fixe traversée par l'arbre. De manière connue, le joint d'étanchéité selon l'invention comprend une bague d'étanchéité à lèvre souple, de préférence avec une armature intérieure rigide, bague dont le profil possède une allure en "U" ou en "C", la lèvre étant prévue pour être serrée au moyen d'un ressort annulaire. La lèvre souple d'un tel joint d'étanchéité nécessite souvent une protection, pour éviter sa détérioration par abrasion dans le cas d'une utilisation dans un environnement pollué, qu'il s'agisse d'une ambiance poussiéreuse du côté extérieur du joint, ou d'impuretés contenues dans le fluide à étancher présent du côté intérieur du joint. Les éléments de protection intérieure et extérieure, actuellement utilisés, sont des pièces complémentaires rapportées qui compliquent la structure et le montage du joint, et qui en augmentent l'encombrement. De plus, lors du montage d'un joint d'étanchéité de ce genre autour de l'arbre, la lèvre souple qui est sa partie active, habituellement fragile, risque d'être détériorée par suite de son mouvement relatif avec friction sur une partie de l'arbre, de sorte que le joint ne sera pas en mesure d'assurer correctement sa fonction, ceci dès sa mise en place. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients, en fournissant un joint d'étanchéité pour arbre tournant, assurant une protection efficace de la lèvre souple sans adjonction de pièces rapportées, sans modification de l'encombrement du joint et sans complication du montage de ce joint, tout en éliminant les risques de détérioration de la lèvre souple, lors de la mise en place du joint autour de l'arbre. A cet effet, le joint d'étanchéité pour arbre tournant objet de l'invention comprend essentiellement, en combinaison: - une bague de frottement prévue pour être emmanchée sur l'arbre et pour tourner avec ce dernier, - une bague d'étanchéité dont le profil possède une allure en "U" ou en "C", avec une lèvre souple maintenue en pression contre la face extérieure cylindrique de la bague de frottement, et avec une partie périphérique prévue pour être solidarisée avec ladite partie fixe, - un élément annulaire de protection intérieure, dont la partie périphérique est solidarisée avec la bague d'étanchéité, et dont le bord circulaire intérieur prend place au voisinage d'une face frontale de la bague de frottement tout en présentant un jeu radial par rapport à l'arbre tournant, et - un élément annulaire de protection extérieure, dont la partie périphérique est solidarisée avec la bague d'étanchéité, et dont le bord circulaire intérieur prend place au voisinage de l'autre face frontale de la bague de frottement tout en présentant un jeu radial par rapport à l'arbre tournant. Avantageusement, la bague d'étanchéité possède une partie cylindrique périphérique et une partie annulaire intermédiaire, à laquelle la lèvre souple se raccorde selon une zone d'épaisseur réduite, une armature intérieure rigide de profil en "L" étant noyée dans les parties périphérique et intermédiaire, tandis qu'un ressort annulaire est porté extérieurement par la lèvre souple pour assurer son maintien en pression contre la bague de frottement. Ainsi, une bague d'étanchéité standard peut être incorporée dans le joint d'étanchéité selon l'invention, cette bague étant ici liée dès la fabrication du joint aux autres composants de celui-ci, pour former un joint complet, avec éléments de protection intégrés. De plus, l'incorporation de la bague de frottement dans le joint d'étanchéité évite toute dégradation de la lèvre souple lors du montage du joint sur l'arbre tournant. Selon une forme de réalisation de l'invention, l'élément annulaire de protection intérieure est une pièce rigide possédant une partie annulaire plane, dont le bord circulaire intérieur coopère avec une face frontale de la bague de frottement, et une partie périphérique cylindrique emmanchée et collée dans la partie périphérique de la bague d'étanchéité. L'élément de protection intérieure peut comporter au moins deux trous pour la circulation d'un fluide à étancher présent à l'intérieur de la partie fixe traversée par l'arbre tournant. Dans ce dernier cas, on peut en outre monter un filtre annulaire dans l'évidement annulaire de la bague d'étanchéité, résultant de son profil en "U" ou en "C". Dans un mode d'exécution de l'invention, l'élément annulaire de protection extérieure est, lui aussi, une pièce rigide possédant une partie annulaire plane, dont le bord circulaire intérieur coopère avec l'autre face frontale de la bague de frottement, et une partie périphérique cylindrique emmanchée et collée dans la bague d'étanchéité, en avant de la zone de raccordement de la lèvre souple. Dans une variante avantageuse, l'élément annulaire de protection extérieure est constitué par un prolongement annulaire de l'armature intérieure rigide de la bague d'étanchéité, le prolongement annulaire s'étendant à l'extérieur de la matière souple de cette bague en direction de son axe central, pour prendre place devant une face frontale de la bague de frottement. Cette variante permet de supprimer une pièce; elle nécessite toutefois une fabrication spéciale de la bague35 d'étanchéité. Dans le cas d'un joint d'étanchéité selon l'invention destiné à être utilisé dans une ambiance très polluée, l'élément annulaire de protection extérieure comporte avantageusement une double zone de friction relativement à la bague de frottement. La double zone de friction peut résulter de la coopération des deux parties précitées de l'élément annulaire de protection extérieure avec, respectivement, une pièce annulaire en tôle mince montée sur une extrémité de la bague de frottement, et cette extrémité de la bague de frottement. Cette double zone de friction peut aussi être obtenue, sans aucune pièce supplémentaire, par la coopération des deux parties précitées de l'élément annulaire de protection extérieure avec, respectivement, la face frontale de la bague de frottement et une collerette de cette bague de frottement. Dans l'ensemble, les avantages du joint d'étanchéité pour arbre tournant objet de la présente invention sont les suivants: La conception de ce joint d'étanchéité permet de renforcer l'efficacité d'une bague d'étanchéité à lèvre souple pour arbre tournant de type connu, tout en respectant les dimensions d'un joint standard. En particulier, les éléments annulaires de protection intérieure et extérieure, et le cas échéant le filtre, prennent place dans l'encombrement de la bague d'étanchéité, dont les parties creuses sont judicieusement utilisées par l'invention. Seule l'intégration de la bague de frottement dans le joint selon l'invention nécessite une certaine diminution locale de diamètre de l'arbre tournant, pour recevoir cette bague de frottement qui sert de portée à la lèvre souple. Le joint d'étanchéité selon la présente invention se présente, dès sa fabrication, sous la forme d'un ensemble compact et fermé de pièces toutes assemblées, dont le montage sur un arbre tournant de machine ou de mécanisme s'effectue de la même manière que pour un joint monobloc, donc de façon aisée, à l'aide d'un outillage très simple et sans aucun risque de blesser la lèvre souple pendant cette opération. La bague de frottement intégrée, formant la portée de la lèvre, peut toujours posséder la dureté idéale, ainsi que l'état de surface requis pour obtenir le meilleur fonctionnement possible, ce qui n'est pas le cas d'une portée formée de façon classique sur l'arbre tournant lui-même. La surface extérieure de cette bague de frottement peut toujours être rectifiée en plongée, ce qui n'est pas nécessairement possible avec des bagues du commerce, du type "bagues de roulements". Ce joint d'étanchéité peut fonctionner avec un jeu axial réduit, entre les faces frontales de la bague de frottement et les bords circulaires intérieurs des éléments de protection intérieure et extérieure, ce jeu étant déterminé lors de l'assemblage du joint et pouvant, notamment, être réglé par interposition d'une matière consommable par usure. L'élément annulaire de protection intérieure protège la lèvre souple des turbulences trop fortes du fluide à étancher, qui peuvent dans certains cas provoquer des fuites. L'élément annulaire de protection extérieure portage efficacement la lèvre contre les pollutions25 d'origine extérieure, cette protection étant renforcée, si besoin est, par une double zone de friction comme indiqué plus haut. De plus, l'espace libre annulaire situé devant la lèvre souple de la bague d'étanchéité peut être mis à profit pour retenir de la graisse de nature adaptée aux30 conditions d'utilisation du joint, laquelle renforce encore la protection de la partie active de la lèvre souple contre les impuretés provenant de l'extérieur. Le prix de revient global du joint d'étanchéité selon l'invention est inférieur à celui d'un ensemble réalisant les mêmes fonctions au moyen d'éléments séparés. La conception de ce joint permet de prolonger sa durée de vie, ce qui renforce encore son caractère économique. Ce joint d'étanchéité peut être facilement utilisé en remplacement d'un joint existant, classique, en diminuant éventuellement le diamètre de l'arbre pour permettre le montage de la bague de frottement. Enfin, l'assemblage initial permanent de tous les composants du joint permet la certification de la qualité de l'étanchéité, puisque toutes les conditions de bon fonctionnement du joint sont réunies dès la fabrication, et sont conservées avant, pendant et après le montage de ce joint sur l'arbre tournant, la lèvre étant notamment protégée pendant la durée de stockage du joint et lors de l'opération de montage de ce joint. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemples non limitatifs, quelques formes d'exécution de ce joint d'étanchéité pour arbre tournant: Figure 1 est une vue en coupe, suivant un plan passant par l'axe de l'arbre, d'une première forme d'exécution du joint d'étanchéité selon l'invention; Figure 2 est une vue en coupe, similaire à figure 1, d'une deuxième forme d'exécution; Figure 3 est une vue en coupe, similaire aux figures précédentes, relative à une troisième forme d'exécution; Figure 4 est une vue en coupe, similaire aux figures précédentes, d'une quatrième forme d'exécution; Figure 5 illustre, toujours en coupe, une variante du joint d'étanchéité de figure 4. La figure 1 montre partiellement un arbre 1, monté tournant par rapport à une partie fixe 2 telle qu'un carter, qu'il traverse. L'arbre 1 possède une portée 3,35 autour de laquelle est monté le joint d'étanchéité objet de l'invention, désigné dans son ensemble par le repère 4. D'une manière générale, le joint d'étanchéité 4 se compose d'une bague de frottement 5, d'une bague d'étanchéité 6 à lèvre souple 7, d'un élément annulaire de protection intérieure 8 et d'un élément annulaire de protection extérieure 9, tous ces composants étant coaxiaux. La bague de frottement 5, en matière dure traitée, est emmanchée de façon serrée sur la portée 3 de l'arbre 1, et elle tourne avec ce dernier. La bague d'étanchéité 6 est réalisée en matière souple, et son profil possède une allure générale en "U" ou en "C". Outre sa lèvre 7, la bague d'étanchéité 8 présente une partie cylindrique périphérique 10 et une partie annulaire intermédiaire 11, à laquelle la lèvre souple 7 se raccorde selon une zone d'épaisseur réduite 12. Dans les parties périphérique 10 et intermédiaire 11 est noyée une armature intérieure rigide 13, présentant un profil en "L". Lorsque le joint d'étanchéité 4 est monté, la partie périphérique 10 de la bague d'étanchéité 6 est engagée dans un logement correspondant 14 de la partie fixe 2, o elle est immobilisée notamment par collage. La lèvre souple 7 de la bague d'étanchéité 6 vient alors au contact de la surface extérieure de la bague de frottement 5. Un ressort hélicoïdal 15, enroulé en anneau et porté extérieurement par la lèvre souple 7, maintient cette lèvre 7 en pression contre la face extérieure cylindrique de la bague de frottement 5 qui lui sert de portée. L'élément de protection intérieure 8, rigide, possède une partie annulaire plane 16, et une partie périphérique cylindrique 17. Le bord circulaire intérieur de la partie annulaire 16 présente un jeu radial 18 par rapport à la portée 3 de l'arbre 1, et il prend place au voisinage d'une face frontale de la bague de frottement 5. Des trous 19 peuvent être ménagés dans la partie annulaire35 16, pour la circulation d'un fluide à étancher présent à l'intérieur de la partie fixe 2. La partie périphérique 17 de l'élément de protection intérieure 8 est emmanchée et collée dans la partie périphérique 10 de la bague d'étanchéité 6. L'élément de protection extérieure 9, rigide, possède lui aussi une partie annulaire plane 20 et une partie périphérique cylindrique 21. Le bord circulaire intérieur de la partie annulaire 20 présente un jeu radial 22 par rapport à la portée 3 de l'arbre 1, et il prend place au voisinage de l'autre face frontale de la bague de frottement 5. La partie périphérique 21 de l'élément de protection extérieure 9 est emmanchée et collée dans la bague d'étanchéité 6, en avant de la zone de raccordement 12 de la lèvre 7. La liaison des éléments de protection intérieure 8 et extérieure 9 avec la bague d'étanchéité 6, et la présence de ces deux éléments 8 et 9 de part et d'autre de la bague de frottement 5, permet de réaliser un joint d'étanchéité 4 complet dont tous les composants sont préassemblés, et qui peut être monté aisément, sans risque de détérioration de la lèvre souple 7. Les éléments 8 et 9 protègent la lèvre 7 contre le surcharges et turbulences du fluide à étancher, et contre les poussières provenant de l'extérieur. Tel qu'il est réalisé, le joint d'étanchéité 4 de la figure 1 est adapté pour un arbre 125 tournant à grande vitesse. On notera que le joint 4 de la figure 1 utilise une bague d'étanchéité 6 qui peut être d'un type standard, disponible dans le commerce. La figure 2 montre une autre forme d'exécution du joint d'étanchéité 4, aussi adaptée à un arbre 1 tournant à grande vitesse, mais comportant une bague d'étanchéité 6a de structure spéciale, incorporant l'élément de protection extérieure. A cet effet, l'armature intérieure rigide 13a de la bague d'étanchéité 6a est prolongée, à l'extérieur de la matière souple de cette bague 6a et en direction de l'axe central, de manière à former une partie annulaire rigide 9a, prenant place devant une face frontale de la bague de frottement 5 en ménageant toujours un jeu radial 22. Ainsi, la partie annulaire 9a prolongeant l'armature 13a réalise, du point de vue fonctionnel, l'équivalent de l'élément de protection extérieure 9 de la figure 1. La figure 3 montre une autre forme d'exécution du joint d'étanchéité 4, découlant de celle de la figure 2 mais adaptée pour un arbre 1 tournant à vitesse faible. L'évidement annulaire de la bague d'étanchéité 6a, résultant de son profil en "U" ou en "C", reçoit ici un filtre annulaire 23 en matière poreuse qui vient au contact de la partie annulaire 16 de l'élément de protection intérieure 8, pourvue de trous 19. Le filtre 23 est immobilisé entre les parties 16 et 17 de l'élément de protection intérieure 8, la partie annulaire intermédiaire 11il de la bague d'étanchéité 6a et le ressort 15. Le joint d'étanchéité 4 de la figure 4 découle de celui de la figure 1, mais comporte, pour son adaptation à une ambiance très poussiéreuse, une double zone de friction du côté de l'élément de protection extérieure 9. A cet effet, une pièce annulaire 24 en tôle mince, de section en "L", est montée sur une extrémité de la bague de frottement 5, pourvue d'un épaulement annulaire complémentaire. La pièce annulaire 24 tourne ainsi avec25 l'arbre 1 et la bague de frottement 5. Cette pièce annulaire 24 coopère, par sa périphérie, avec le bord postérieur de la partie cylindrique 21 de l'élément de protection extérieure 9, tandis que la face frontale de la bague de frottement 5 coopère avec le bord intérieur de l'élément de protection extérieure 9. La figure 5 illustre une variante du joint de la figure 4, dans laquelle la pièce annulaire 24 est remplacée par une collerette 25 de la bague de frottement , pour obtenir ici aussi une double zone de friction du côté de l'élément de protection extérieure 9. La face frontale de la bague de frottement 5 coopère avec le bord intérieur de la partie annulaire 20 de l'élément de protection extérieure 9, tandis que la périphérie de la collerette 25 coopère avec le bord postérieur de la partie cylindrique 21 de l'élément de protection extérieure 9. Dans tous les cas, l'espace libre annulaire 26 situé devant la lèvre souple 7, entre celle-ci et la bague de frottement 5, peut être rempli de graisse qui renforce la protection de la partie active du joint 4 contre les impuretés provenant de l'extérieur. Dans les dernières formes d'exécution (figures 4 et 5), de la graisse ayant la même fonction peut aussi être introduite dans la chambre annulaire 27 formée entre l'élément de protection extérieure 9 et la pièce annulaire 24, ou entre cet élément de protection extérieure 9 et la collerette 25. Le réglage du jeu axial, entre les deux faces frontales de la bague de frottement 5 et les éléments de protection intérieure 8 et extérieure 9, est réalisable dans tous les cas par interposition d'une matière consommable par usure, telle qu'une cire dure lubrifiante ou de l'étain, comme indiqué schématiquement en 28 et 29. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution de ce joint d'étanchéité pour arbre tournant qui ont été décrites ci-dessus à titre d'exemples; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation et d'application respectant le même principe. C'est ainsi, notamment, que l'on ne s'éloignerait pas du cadre de l'invention en modifiant les formes de détail des différents composants du joint d'étanchéité, ou en combinant de manière différente les30 caractéristiques illustrées par le dessin, par exemple en prévoyant le filtre annulaire 23 (figure 3) dans une configuration de joint selon la figure 1. REVENDICATIONS 1. Joint d'étanchéité annulaire (4) prévu pour être monté entre un arbre tournant (1,3) et une partie fixe (2) traversée par l'arbre (1,3) caractérisé en ce qu'il comprend, en combinaison: - une bague de frottement (5) prévue pour être emmanchée sur l'arbre (1,3) et pour tourner avec ce dernier, - une bague d'étanchéité (6; 6a) dont le profil possède une allure en "U" ou en "C", avec une lèvre souple (7) maintenue en pression contre la face extérieure cylindrique de la bague de frottement (5), et avec une partie périphérique (10) prévue pour être solidarisée avec ladite partie fixe (2), - un élément annulaire de protection intérieure (8), dont la partie périphérique (17) est solidarisée avec la bague d'étanchéité (6; 6a), et dont le bord circulaire intérieur prend place au voisinage d'une face frontale de la bague de frottement (5) tout en présentant un jeu radial (18) par rapport à l'arbre tournant (1,3), et - un élément annulaire de protection extérieure (9; 9a), dont la partie périphérique (21) est solidarisée avec la bague d'étanchéité (6; 6a) et dont le bord circulaire intérieur prend place au voisinage de l'autre face frontale de la bague de frottement (5) tout en présentant un jeu radial (22) par rapport à l'arbre tournant (1,3). 2. Joint d'étanchéité pour arbre tournant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bague d'étanchéité (6; 6a) possède une partie cylindrique périphérique (10) et une partie annulaire intermédiaire (11), à laquelle la lèvre souple (7) se raccorde selon une zone d'épaisseur réduite (12), une armature intérieure rigide (13; 13a) de profil en "L" étant noyée dans les35 parties périphérique (10) et intermédiaire (11), tandis qu'un ressort annulaire (15) est porté extérieurement par la lèvre souple (7) pour assurer son maintien en pression contre la bague de frottement (5). 3. Joint d'étanchéité pour arbre tournant selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément annulaire de protection intérieure (8) est une pièce rigide possédant une partie annulaire plane (16), dont le bord circulaire intérieur coopère avec une face frontale de la bague de frottement (5), et une partie périphérique cylindrique (17) emmanchée et collée dans la partie10 périphérique (10) de la bague d'étanchéité (6; 6a). 4. Joint d'étanchéité pour arbre tournant selon la revendication 3, caractérisé en ce que la partie annulaire plane (16) de l'élément de protection intérieure (8) comporte au moins deux trous (19) pour la circulation d'un fluide à étancher présent à l'intérieur de la partie fixe (2) traversée par l'arbre tournant (1,3). 5. Joint d'étanchéité pour arbre tournant selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'un filtre annulaire (23) est monté dans l'évidement annulaire de la bague d'étanchéité (6; 6a), résultant de son profil en "U" ou en "C". 6. Joint d'étanchéité pour arbre tournant selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que l'élément annulaire de protection extérieure (9) est une pièce rigide possédant une partie annulaire plane (20), dont le bord circulaire intérieur coopère avec l'autre face frontale de la bague de frottement (5), et une partie périphérique cylindrique (21) emmanchée et collée dans la bague d'étanchéité (6), en avant de la zone de raccordement (12) de la lèvre souple (7). 7. Joint d'étanchéité pour arbre tournant selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que l'élément annulaire de protection extérieure (9a) est constitué par un prolongement annulaire de l'armature intérieure rigide (13a) de la bague d'étanchéité (6a), le prolongement annulaire (9a) s'étendant à l'extérieur de la matière souple de cette bague (6a) en direction de son axe central, pour prendre place devant une face frontale de la bague de frottement (5). 8. Joint d'étanchéité pour arbre tournant selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'élément annulaire de protection extérieure (9; 9a) comporte une double zone de friction relativement à la bague de frottement (5). 9. Joint d'étanchéité pour arbre tournant selon l'ensemble des revendications 6 et 8, caractérisé en ce que la double zone de friction résulte de la coopération des deux parties précitées (20,21) de l'élément annulaire de protection extérieure (9) avec, respectivement, une pièce annulaire en tôle mince (24) montée sur une extrémité de la bague de frottement (5), et cette extrémité de la bague de frottement (5). 10. Joint d'étanchéité pour arbre tournant selon l'ensemble des revendications 6 et 8, caractérisé en ce que la double zone de friction résulte de la coopération des deux parties précitées (20,21) de l'élément annulaire de protection extérieure (9) avec, respectivement, la face frontale de la bague de frottement (5) et une collerette (25) de cette bague de frottement (5). 11. Joint d'étanchéité pour arbre tournant selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le jeu axial, entre les faces frontales de la bague de frottement (5) et les bords circulaires intérieurs des éléments de protection intérieure (8) et extérieure (9; 9a), est prévu pour être réglé par interposition d'une matière consommable par usure (28,29). 12. Joint d'étanchéité pour arbre tournant selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'espace libre annulaire (26) situé devant la lèvre souple (7) de la bague d'étanchéité (6; 6a) est rempli de graisse.