Brevet FR2708070A1 — publié le 19950127

Le secteur technique de l'invention est celui des joints d'étanchéité entre deux pièces coulissant l'une à l'intérieur de l'autre, une forte pression de fluide régnant à l'intérieur de l'ensemble. Dans ce type d'assemblage, il est quelquefois nécessaire d'assurer l'étanchéité dans un conduit à l'intérieur duquel se déplace un piston afin d'interdire tout passage de fluide sous pression de l'amont vers l'aval, tout en évitant l'immobilisation des deux pièces l'une par rapport à l'autre. Le but de la présente invention est de proposer un joint assurant une étanchéité en statique et/ou en dynamique engendrant une pression de contact entre les deux pièces supérieures à la pression à étancher. L'invention a donc pour objet un dispositif d'étanchéité en statique et/ou en dynamique entre deux éléments constitués d'un corps annulaire à l'intérieur duquel coulisse un piston sous l'action d'une pression de fluide, caractérisé en ce qu'il comprend une bague disposée entre les deux éléments munie d'une lèvre déformable radialement sous l'action d'un joint comprimé axialement par la translation de la bague elle-même sous l'effet de la pression pour assurer ainsi l'étanchéité entre les deux éléments, et un moyen de blocage de la bague pour fixer sa position par rapport à l'un des éléments. Le dispositif d'étanchéité peut comprendre une bague métallique isolant le joint au niveau de la surface de jointure entre la lèvre et un des éléments pour interdire l'extrusion du joint. La lèvre peut être munie de cannelures au niveau de sa surface de contact avec un des éléments. Selon un mode de réalisation du dispositif d'étanchéité selon l'invention, la bague peut être montée dans le corps annulaire, le joint étant disposé entre la surface extérieure de la lèvre et le piston. Selon un autre mode de réalisation, la bague peut être montée sur le piston, le joint étant disposé entre la surface intérieure de la lèvre et le piston. La bague peut se présenter sous la forme d'un godet dont la paroi cylindrique est terminée par la lèvre et dont le fond présente un percement adapté au piston. Le piston présente trois sections de diamètre extérieur décroissant, la première section étant usinée au diamètre interne de la lèvre, la seconde section étant usinée au diamètre interne du joint et de la paroi cylindrique de la bague, et la troisième section traversant le percement du fond de la bague recevant le moyen de blocage de la bague. Le moyen de blocage est un écrou vissé sur la troisième section du piston coopérant avec un moyen d'arrêt. Le moyen d'arrêt est constitué d'une barrette d'arrêt de l'écrou et d'une vis de fixation de l'écrou sur le piston. La bague est constituée d'un matériau ayant une résistance élastique équivalent à celle du corps annulaire, un module de Young inférieur à celui du corps annulaire, et une résistance au grippage et à la chaleur instantanée. Le joint est constitué d'un matériau élastique par exemple du caoutchouc. La bague est mobile en translation sur une distance de 2 à 4 mm. L'invention peut être appliquée à l'étanchéité d'un piston multiplicateur de pression utilisé dans des armes à propulseur liquide. Un tout premier avantage de l'invention réside dans le fait que le niveau d'étanchéité est donné par la pression elle-même. Un autre avantage réside dans la simplicité de réalisation du joint réalisant une étanchéité pour des pressions de l'ordre de 3000 bar. Un autre avantage réside dans le fait que l'étanchéité est réalisée dès l'apparition de la pression, la contrainte provoquée sur la lèvre disparaissant en l'absence de pression. D'autres avantages, caractéristiques et détails de l'invention ressortiront de la description explicative qui suit faite en référence aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple, et dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un mode de réalisation du dispositif d'étanchéité selon l'invention en l'absence de pression, - la figure 2 est une vue semblable à celle de la figure 1, mais en présence de pression, - la figure 3 est une vue en coupe axiale d'un autre mode de réalisation du dispositif d'étanchéité selon l'invention en l'absence de pression, - la figure 4 est une vue semblable à celle de la figure 3, mais en présence de pression, - la figure 5 illustre une bague utilisée dans le mode de réalisation selon la figure 1, - la figure 6 est une vue en coupe schématique d'une arme à propulseur liquide intégrant un dispositif d'étanchéité conforme à l'invention. En se référant aux figures 1, 2 et 5, on a représenté un ensemble de deux pièces comprenant un corps annulaire 1 par exemple en acier à l'intérieur duquel coulisse un piston 2. A l'intérieur de ce corps annulaire circule un fluide sous pression venant de la chambre 9 partiellement représentée et qui sera plus détaillée lorsqu'on décrira l'application conforme à la figure 5. Le piston 2 se déplace à des vitesses pouvant être supérieures à 10 mètres par seconde et la pression peut être supérieure à 3000 bar dans le corps annulaire. La paroi interne du corps est finement rodée et le piston 2 présente un diamètre externe légèrement inférieur au diamètre interne du corps 1. Pour assurer le guidage et l'étanchéité du piston 2 par rapport au corps annulaire 1, on utilise une bague 3 se présentant sous la forme d'un godet (figure 5) dont la paroi cylindrique 13 sert de guide au piston dans sa partie arrière massive 14. L'extrémité de la paroi cylindrique est amincie sous forme de lèvre 11 assurant l'étanchéité. Sur la figure 5, on voit que la bague présente une partie 14 cylindrique prolongée par une partie tronconique 15, elle-même terminée par une partie cylindrique 16 amincie, constituant la lèvre proprement dite et un fond 19 percé d'une ouverture. La surface externe de la partie 16 est munie d'entailles circulaires 17 pour améliorer la déformabilité de la lèvre 11. La bague 3 est réalisée dans une matière ayant une résistance élastique élevée équivalente à celle du corps annulaire, un module de Young plus faible que celui du corps annulaire 1, un bon coefficient de frottement, une bonne résistance au grippage et à la chaleur instantanée. C'est en fonction des contraintes imposées (pression, vitesse, fluide à étancher.. .) que l'on choisit le matériau à employer. Ainsi, la lèvre 11 augmente de diamètre sans se rompre et réalise une étanchéité parfaite. A cette bague 3, on adjoint un joint élastique 4 par exemple en caoutchouc en contact avec la bague au niveau de sa partie tronconique 15 et une bague métallique 5 séparant le joint 4 de la partie cylindrique 16 de la lèvre 11. Le piston 2 représenté sur les figures 1 et 2 présente trois sections successives vers son extrémité, de diamètre décroissant. La section 2b coopère avec la partie cylindrique 16 de la bague 4 de telle façon qu'un jeu el soit ménagé entre l'épaulement 18 du piston et l'extrémité de la lèvre 11. Pour éviter toute extrusion de la matière du joint 4, une bague 5 est interposée au niveau de l'intersection entre le piston 2, la lèvre 11 et le joint 4. La seconde section 2c, de diamètre inférieur, coopère avec le joint 4 autour de laquelle il est engagé et avec la paroi cylindrique interne de la partie cylindrique 14 de la bague 3. Enfin, la section 2d permet d'ajuster le fond 19 de la bague 3 et reçoit un moyen de blocage 6 de la bague 3. La surface interne du fond 19 est de préférence située à une distance supérieure à el par rapport à la section 2c. Le moyen de blocage 6 est constitué d'un écrou 7 vissé sur la section 2d jusqu a prendre appui sur le fond 19, lequel écrou est arrêté en rotation par une barrette 8a et une vis 8b vissée dans la section 2d du piston. Le montage de tous ces éléments se fait dans l'ordre suivant : on présente sur l'extrémité du piston 2 d'abord la bague 5, puis le joint 4, la bague 3 et l'écrou 6. On introduit le piston 2 dans le corps annulaire 1 et on met en place le moyen d'arrêt 8a,8b avec une légère précontrainte du joint 4. Le fonctionnement est le suivant. En l'absence de pression, le joint selon l'invention est dans la configuration représentée sur la figure 1 avec une précompression du joint 4 par un serrage adéquat de l'écrou 7 avec une clef spéciale s'encastrant dans les encoches 8c usinées sur la face arrière de l'écrou 7. Cette précompression est nécessaire, car la lèvre 11 est déformée radialement et plaquée contre la surface interne du corps annulaire 1 et elle entraîne l'étanchéité au niveau du joint 4 entre la section 2c et la bague 3 pour contenir le développement de la pression dans la chambre 9. Lorsque la pression se développe dans la chambre 9, elle s'applique sur le fond 19 de la bague 3 et sur la face arrière 12 du piston 2 entraînant rapidement celui-ci vers l'avant suivant la flèche F2 en s'éloignant de la butée 66. Malgré les efforts de frottement entre la bague 3 et la surface interne du corps annulaire 1, et l'inertie de la bague 3, du joint 4 et de la bague 5, la pression régnant dans la chambre 9 suffit à provoquer la translation de la bague 3, ce qui comprime le joint 4 transformant ainsi l'effort axial en effort radial pour déformer la lèvre 11 et augmenter ainsi sa pression de contact à l'intérieur du corps annulaire 1, qui est alors supérieure à la pression à étancher régnant dans la chambre 9. La bague 3 occupe alors la position représentée sur la figure 2 où l'on voit que l'extrémité de la lèvre 11 est située à une distance e2 inférieure à el de l'épaulement 18. Par ailleurs, un espace 20 est libéré entre le fond 19 de la bague 3 et l'écrou 7. Lorsque la pression disparaît dans la chambre 9, le joint élastique 4 reprend sa position initiale de la figure 1 suivant la flèche F1 et repousse la bague 3 au contact de l'écrou 7. Le piston 2 est alors ramené au contact de la butée 66. Sur les figures 3 et 4, on a représenté un autre mode de réalisation de l'invention suivant lequel le joint est placé au niveau du corps annulaire 1. Celui-ci comporte des sections la, lb, îc et îd de diamètre interne croissant. La section la présente un diamètre sensiblement adapté au diamètre externe du piston 2 de façon à assurer un coulissement sans frottement entre eux. La section lb coopère avec l'extrémité de la lèvre 11 de la bague 3 en ménageant le jeu e3. La section îc coopère avec la bague 3, le joint 4 et la bague 5. La section ld coopère avec une partie annulaire 21 de la bague 3 et un écrou 7 vissé en appui sur la partie 21. Le fonctionnement est identique à celui décrit précédemment. En effet, lorsque la pression se développe dans la chambre 9, la bague 3 est poussée et comprime axialement le joint 4 qui à son tour comprime radialement la lèvre 11 la plaquant autour du piston 1. La bague 3 s'éloigne de l'écrou 7 en laissant l'espace 22. Le jeu e3 entre la lèvre 11 et la section la diminue à une valeur inférieure e4 indiquée sur la figure 4 illustrant la position finale des différentes pièces après développement de la pression. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation illustrés sur les dessins. Un exemple d'application d'un tel dispositif d'étanchéité est donné à titre d'exemple sur la figure 6, qui illustre partiellement et schématiquement un tube 50 d'une arme de moyen ou de gros calibre à propulseur liquide, avec un projectile 51 mis à poste dans le tube 50 au niveau d'un cône de forcement 52, d'une façon connue en soi. L'extrémité arrière du tube 50 est obturable de manière étanche par un obturateur de culasse 53. Une chambre 55 de combustion est délimitée dans le tube 50 entre le projectile 51 et l'obturateur de culasse 53 en position fermée de celui-ci. Cette arme à propulseur liquide est équipée d'un système d'injection pour injecter sous pression dans la chambre 55 un agent de propulsion, tel qu'un ergol sous forme liquide ou gélifiée, stocké dans au moins un réservoir 57 défini dans un corps annulaire 1 rapporté autour du tube 50 de l'arme. Pour cela, un canal longitudinal 60 est percé dans le corps 1, parallèlement à l'axe du tube 50, et le réservoir 57 à volume variable est défini dans le canal 60 entre deux fonds 61 et 62 qui ferment de façon étanche les deux extrémités du canal 60. Le fond 61 est fixe, alors que le fond 62 est réglable en position axiale à l'intérieur du canal 60. Un piston 2 multiplicateur de pression est monté coulissant à l'intérieur du réservoir 57 étanché par le joint 71 selon la figure 1 et par le joint 72 selon la figure 3. Le fond 61 se prolonge à l'intérieur du réservoir 57 par une butée axiale 66 sur laquelle le piston 2 prend appui, lorsque le réservoir 57 est rempli. Dans cette position du piston 2, la chambre 9 est délimitée autour de la butée 66, et communique avec la chambre 55 de combustion par une canalisation d'entrée 68 formée d'un canal percé dans le corps 1 et dans la paroi du tube 50. Le réservoir 57 communique également avec la chambre 55 de combustion par une canalisation de sortie 69 percée à l'intérieur du corps 1. Cette canalisation de sortie 69 est constituée d'un canal longitudinal ou conduit 67 qui communique avec le réservoir 57 par au moins un conduit de liaison 70, et avec la chambre 55 de combustion par un conduit radial 56. Une soupape 58 est logée dans le conduit 67 au niveau de la section de passage entre les conduits 56 et 67. Un tel système d'injection fonctionne de la manière décrite ci-après. Avant le tir du projectile 51 mis à poste dans le tube 50, on procède au réglage du volume du réservoir 57 par déplacement du fond 62 en fonction de la charge propulsive demandée pour stocker la quantité totale d'agent de propulsion nécessaire au tir du projectile 51. Cette opération consiste à régler la position axiale du fond de cylindre 62 au moyen d'un mécanisme de réglage 62a, le piston 2 étant appliqué sur la butée 66. L'étanchéité est alors assurée par le joint 72. Une fois le réglage du volume du réservoir 57 effectué, on envoie sous faible pression l'agent de propulsion dans le réservoir 57 qui communique, à cet effet, par un canal 75 avec un moyen de remplissage (non représenté) . L'agent de propulsion se répand dans le conduit de sortie 67 et dans la chambre 59 de l'obturateur de la soupape 58. La soupape 58 reste en position de fermeture, dès l'instant où la force exercée par son ressort de rappel sur la face arrière de la soupape est supérieure à la différence des forces exercées par l'agent de propulsion sur les deux faces opposées de la paroi avant de la soupape. On injecte et on enflamme ensuite une faible quantité d'agent de propulsion directement dans la chambre 55 de combustion. Les gaz de combustion pénètrent librement à l'intérieur de la chambre 9 par la canalisation d'entrée 68, et dès que leur pression devient suffisante, ils entraînent le déplacement du piston 2 jusqu'à butée, après amortissement, sur le fond 62. L'étanchéité en dynamique puis en statique est assurée par le joint 71. Cette pression est cependant insuffisante pour provoquer l'éjection du projectile 51. En se déplaçant, le piston 2 comprime l'agent de propulsion contenu dans le réservoir 57 et la canalisation de sortie 69 associés. Dès que l'agent de propulsion comprimé par le piston 2 a atteint la pression nécessaire pour ouvrir la soupape 58, celle-ci libère la section de passage entre les deux conduits 56 et 67, et l'agent peut alors s'écouler jusqu a la chambre 55 de combustion, et entraîneur ensuite l'éjection du projectile 51 lorsque la pression des gaz de combustion atteint une valeur suffisante. Le piston est ramené dans sa position initiale lors du remplissage de la chambre 57 par déplacement du fond 62. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'étanchéité en statique et/ou en dynamique entre deux éléments (1,2) constitués d'un corps annulaire (1) à l'intérieur duquel coulisse un piston (2) sous l'action d'une pression de fluide, caractérisé en ce qu il comprend une bague (3) disposée entre les deux éléments, munie d'une lèvre (11) déformable radialement sous l'action d'un joint (4) comprimé axialement par la translation de la bague elle-même sous l'effet de la pression pour assurer ainsi l'étanchéité entre les deux éléments, et un moyen de blocage (6) de la bague (3) pour fixer sa position par rapport à l'un des éléments. 2. Dispositif d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une bague métallique (5) isolant le joint (4) au niveau de la surface de jointure entre la lèvre (11) et un des éléments pour interdire l'extrusion du joint. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la lèvre (11) est munie de cannelures au niveau de sa surface de contact avec un des éléments. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la bague (3) est montée dans le corps annulaire (1), le joint (4) étant disposé entre la surface intérieure de la lèvre (11) et le piston (2). 5. Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la bague (3) est montée sur le piston (2), le joint (4) étant disposé entre la surface intérieure de la lèvre (11) et le piston. 6. Dispositif d'étanchéité selon la revendication 5, caractérisé en ce que la bague (3) se présente sous la forme d'un godet dont la paroi cylindrique est terminée par la lèvre (11) et dont le fond (19) présente un percement adapté au piston. 7. Dispositif d'étanchéité selon la revendication 6, caractérisé en ce que le piston (2) présente trois sections (2b,2c,2d) de diamètre extérieur décroissant, la première section (2b) étant usinée au diamètre interne de la lèvre, la seconde section (2c) étant usinée au diamètre interne du joint (4) et de la paroi cylindrique de la bague (3), et la troisième section (2d) traversant le percement du fond de la bague (3) recevant le moyen de blocage (6) de la bague. 8. Dispositif d'étanchéité selon la revendication 7, caractérisé en ce que le moyen de blocage (6) est un écrou (7) vissé sur la troisième section (2d) du piston coopérant avec un moyen d'arrêt (8a,8b). 9. Dispositif d'étanchéité selon la revendication 8, caractérisé en ce que le moyen d'arrêt est constitué d'une barrette (8a) d'arrêt de l'écrou (7) et d'une vis de fixation (8b) de l'écrou sur le piston (2). 10. Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la bague (3) est constituée d'un matériau métallique ayant une résistance élastique équivalente à celle du corps annulaire (1), un module de Young inférieur à celui du corps (1), et une résistance au grippage et à la chaleur instantanée. 11. Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le joint (4) est constitué d'un matériau élastique par exemple du caoutchouc 12. Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la bague (3) est mobile en translation de 2 à 4 mm. 13. Application du dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications précédentes au piston multiplicateur de pression dans les armes à propulseur liquide.