Brevet FR2718212A1 — publié le 19951006

Bague d'étanchéité pour un arbre tournant dans un support L'invention concerne une bague d'étanchéité propre à être interposée entre un arbre tournant et un support. On connaît déjà différents types de bagues d'étanchéité qui permettent un montage en rotation d'un arbre dans un support, et cela dans des conditions étanches vis-à-vis d'un fluide, généralement sous pression, disposé d'un côté de la bague. Parmi les bagues d'étanchéité connues, les plus simples sont réalisées monoblocs dans un matériau souple, par exemple un élastomère synthétique. Elles sont généralement pourvues d'une lèvre souple venant en contact étanche avec l'arbre autour duquel elles sont montées. De telles bagues d'étanchéité monoblocs conviennent pour la plupart des applications courantes, mais deviennent inappropriées dès que la vitesse périphérique de l'arbre atteint environ 10 mètres/seconde et que la pression du fluide, à l'égard duquel l'étanchéité doit être assurée, dépasse environ 1 bar (105 pascals). Par ailleurs, on connaît aussi des bagues d'étanchéité composées de plusieurs parties assemblées en usine. Certaines de ces bagues répondent à des conditions difficiles d'utilisation, mais elles ont cependant pour inconvénient d'être chères et disponibles seulement dans quelques dimensions. Il existe par ailleurs des bagues d'étanchéité formées de deux pièces indépendantes et destinées à être montées dans des gorges fermées. Elles ont pour principaux inconvénients d'être difficiles à monter et de ne pas être tenues en rotation. L'invention a notamment pour but de surmonter les inconvénients précités. C'est en particulier un but de l'invention de procurer une bague d'étanchéité qui résiste à des conditions d'utilisation difficiles, et cela pendant de longues périodes de service. C'est encore un but de l'invention de procurer une bague d'étanchéité de structure peu encombrante et pouvant être réalisée aux dimensions souhaitées. C'est aussi un but de l'invention de procurer une telle bague d'étanchéité qui peut être produite à faible coût et avec un outillage courant, de décolletage ou autre. C'est enfin un autre but de l'invention de procurer une telle bague d'étanchéité qui peut être montée facilement. L'invention propose à cet effet une bague d'étanchéité du type précité qui comprend - un corps de bague formé d'un matériau autolubrifiant à faible coefficient de frottement et comportant une surface intérieure propre à entourer l'arbre tournant avec frottement étanche ainsi qu'une gorge périphérique extérieure; - une carcasse propre à être montée dans un logement du support et comportant une surface d'appui disposée en regard de la gorge périphérique du corps de bague pour délimiter avec celle-ci un espace annulaire; - un joint torique compressible logé dans l'espace annulaire ainsi délimité entre le corps de bague et la carcasse; et - des moyens de liaison avec jeu autorisant un montage flottant, avec blocage en rotation, du corps de bague dans la carcasse. La bague d'étanchéité de l'invention est ainsi formée de trois pièces principales, à savoir le corps de bague, la carcasse et le joint torique, qui coopèrent entre eux. Chaque pièce de la bague est adaptée à sa fonction et est formée d'un matériau choisi selon les besoins. Le corps de bague assure un léger serrage sur l'arbre et il est monté flottant, avec jeu, dans la carcasse, tout en étant bloqué en rotation par rapport à cette dernière. Le joint torique logé dans l'espace annulaire délimité entre le corps de bague et la carcasse a notamment pour fonction d'assurer l'étanchéité entre le corps de bague et la carcasse, d'assurer une pression sur l'arbre par flexion du corps de bague, et en outre d'assurer un centrage parfait du corps de bague par rapport au logement du support qui reçoit la carcasse. Le joint peut aussi absorber un léger défaut de concentricité entre l'arbre et le logement. Les principaux avantages de la bague de l'invention sont les suivants - excellente tenue au chaud, au froid, à la pression, à la vitesse et à la corrosion dans des conditions sévères d'utilisation; - possibilité d'être réalisée aux dimensions souhaitées et avec un outillage simple, de décolletage ou autre; - facilité de montage et de conception du support; - faible coût de fabrication; - possibilité d'être utilisée pour une large gamme d'applications. Dans une première forme de réalisation de l'invention, la surface intérieure du corps de bague est de forme cylindrique lisse. L'étanchéité est alors assurée uniquement par un léger serrage radial du corps de bague contre l'arbre. I1 s'agit d'une étanchéité à sec sans lubrifiant. Dans une seconde forme de réalisation de l'invention, la surface intérieure du corps de bague comporte au moins deux lèvres annulaires dirigées vers l'arbre et ménageant entre elles au moins une chambre annulaire étanche. Bien que le corps de bague puisse être alors monté à sec autour de l'arbre, on utilise généralement un lubrifiant, par exemple une graisse à base de bisulfure de molybdène, de graphite, etc., ce lubrifiant étant introduit au montage dans l'une au moins des chambres annulaires étanches précitées. Le matériau auto lubrifiant dont est formé le corps de bague est avantageusement un matériau du type rigide ou semirigide. Un tel matériau est avantageusement choisi parmi des matières thermoplastiques à hautes performances, des matériaux composites à base de polytétrafluoréthylène, etc. Il peut incorporer des charges pour diminuer l'usure. Selon une autre particularité de l'invention, la carcasse de la bague d'étanchéité est avantageusement de forme générale annulaire et le logement du support qui la reçoit est de forme générale cylindrique homologue. La carcasse peut comporter éventuellement un logement de réception du joint torique. Ce logement de réception, qui est usiné dans la carcasse, sert en outre au positionnement du corps de bague avec la carcasse. La carcasse peut être montée à force dans le logement du support, être collée dans celui-ci ou y être assujettie par tout autre moyen mécanique. La carcasse est formée dans un matériau adapté au logement du support, ou neutre pour des questions d'oxydation. De façon avantageuse, la carcasse est formée dans le même matériau que le support, ce qui permet d'avoir le même coefficient de dilatation et d'assurer une bonne compatibi lité mécanique et d'éviter notamment des problèmes de dilatation différentielle, de couple électrolytique, etc. Le joint torique compressible interposé entre le corps de bague et la carcasse est avantageusement choisi parmi un joint en élastomère résistant aux hautes températures et un joint composite comportant une âme ressort en acier et un habillage assurant l'étanchéité. Les moyens de liaison prévus entre le corps de bague et la carcasse peuvent prendre différentes formes, à condition qu'ils assurent un montage flottant et empêchent la rotation du corps de bague par rapport à la carcasse. Dans une forme de réalisation préférée, ces moyens de liaison comprennent au moins deux ergots diamétralement opposés et formés circonférentiellement sur la carcasse et s'engageant avec jeu respectivement dans au moins deux encoches formées circonférentiellement sur le corps de bague. De préférence, on prévoit un accouplement en croix entre la carcasse et la bague par quatre ergots et quatre encoches s'emboîtant avec jeu entre elles. On assure ainsi une possibilité de débattement du corps de bague par rapport à la carcasse suivant deux directions perpendiculaires qui s'étendent radialement par rapport à l'arbre tournant. Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une demi-vue en coupe partielle d'une bague d'étanchéité selon l'invention, interposée entre un arbre tournant et un support; - la figure 2 est une vue d'extrémité d'un corps de bague selon l'invention; - la figure 3 est une vue en coupe à échelle agrandie selon la ligne III-III de la figure 2; - la figure 4 est une vue d'extrémité d'une carcasse destinée à coopérer avec le corps de bague des figures 2 et 3; - la figure 5 est une vue en coupe selon la ligne V-V de la figure 4; et - la figure 6 est un détail de la figure 5, représenté à échelle agrandie. On se réfère tout d'abord à la figure 1 qui représente une bague d'étanchéité désignée dans son ensemble par la référence 10 et qui est interposée entre un arbre tournant 12 monté en rotation autour d'un axe XX par rapport à un support 14. L'arbre tournant peut, à titre d'exemple, faire partie d'un moteur thermique et le support 14 constituer le bloc ou le carter de ce moteur. La bague d'étanchéité 10 est interposée entre une extrémité 16 de l'arbre 12 et un logement 18 du support 14. Ce logement 18 est délimité par une paroi annulaire 20 d'axe XX et par un fond annulaire plat 22 centré sur ledit axe. En outre, le support 14 comporte une paroi cylindrique 24 d'axe XX possédant un diamètre intérieur supérieur au diamètre de l'arbre 12 en délimitant ainsi un intervalle annulaire soumis à la pression P d'un fluide, à l'égard duquel la bague 10 doit assurer une étanchéité. La bague d'étanchéité 10 comprend un corps de bague 26 usiné dans un matériau autolubrifiant à faible coefficient de frottement qui peut être de nature rigide ou semi-rigide. Il peut s'agir par exemple d'une matière thermoplastique à hautes performances, comme celle connue sous la Marque Arlon ou encore un matériau à base de polytétrafluoréthylène tel que celui commercialisé sous la Marque Teflon. Il peut s'agir notamment d'un matériau composite à base de polytétrafluoréthylène, de graphite ou de bisulfure de molybdène. Le corps de bague 26 est usiné de manière à présenter une face interne cylindrique 28 dont le diamètre est sensiblement inférieur au diamètre de l'arbre 12 pour assurer un léger serrage sur ce dernier. La face interne 28 est usinée de manière à former trois lèvres annulaires 30 qui délimitent entre elles deux chambres étanches 32 de configuration annulaire. Ces chambres peuvent être vides ou bien l'une au moins d'entre elles peut être remplie d'un lubrifiant, en particulier d'une graisse à base de bisulfure de molybdène, de graphite, etc. Le corps de bague 26 comprend une face annulaire 34 qui est appliquée contre le fond 22 du logement 18 et une face annulaire opposée 36 qui est usinée, comme on le verra plus loin. Du côté opposé à la face intérieure 28, le corps de bague 26 comporte une gorge annulaire périphérique 38. La bague d'étanchéité 10 comprend en outre une carcasse 40 de forme générale annulaire et comportant une face cylindrique externe 42 appliquée contre la face cylindrique interne 20 du logement 18 et une face annulaire 44 appliquée contre la face annulaire 22 du logement 18. Par ailleurs, la carcasse 40 comporte une surface cylindrique interne d'appui 46 qui fait face à la gorge 38. La surface 46 et la gorge 38 délimitent entre elles un intervalle annulaire dans lequel est logé un joint torique d'étanchéité 48. Ce dernier est formé d'un matériau compressible, par exemple d'un élastomère résistant aux hautes températures, ou encore d'un matériau composite avec une âme ressort en acier et un habillage assurant l'étanchéité. La surface d'appui 46 peut être lisse ou comporter éventuellement un logement 49, usiné en forme de gorge, pour recevoir le joint torique 48 et permettre le positionnement du corps de bague avec la carcasse, le montage étant clippé. Comme on peut le voir sur les figures 1, 2 et 3, le corps de bague 26 est usiné à partir de sa face annulaire 36 pour ménager quatre encoches 50, deux d'entre elles étant alignées suivant un axe Al et les deux autres suivant un axe A2 (figure 2) qui sont perpendiculaires entre eux et s'étendent radialement par rapport à l'axe XX. Sur la figure 3, on notera que la gorge 38 possède un fond plat et non pas un fond arrondi comme sur la figure 1. La carcasse 40 de configuration générale annulaire est formée avantageusement dans le même matériau que le support 14 pour des raisons de compatibilités mécaniques, thermique et électrolytique. La carcasse 40 est réalisée monobloc avec quatre ergots 52 (figures 1, 4 et 5) qui sont disposés par paires et suivant deux axes perpendiculaires B1 et B2 (figure 4) qui sont propres à correspondre avec les axes Al et A2 lorsque le corps de bague 26 est monté dans la carcasse 40. Les ergots 52 sont dirigés radialement vers l'intérieur et ont une largeur légèrement inférieure à la largeur des encoches 50. On comprendra que lorsque le corps de bague 26 est monté dans la carcasse 40 avec interposition du joint 48, les quatre ergots 52 s'engagent respectivement dans les quatre encoches 50, ce qui assure une liaison avec jeu du corps de bague 26 dans la carcasse 40. Le corps de bague 26 peut en effet se débattre, avec un jeu limité, suivant la direction des axes Al et A2, tout en étant bloqué en rotation par rapport à la carcasse. La carcasse présente, comme vu en coupe au niveau de chacun des ergots 52, une forme qui s'apparente à celle d'un L (figure 6). Comme montré à cette figure, la surface intérieure 46 de la carcasse 40 se raccorde avec la face annulaire 44 par un chanfrein 54 formant un angle a par exemple de 300. De même, la face extérieure 42 se raccorde avec la face annulaire 44 par un chanfrein 56 formant un angle , par exemple de 15-. La réalisation des deux chanfreins facilite le montage de la carcasse dans le support et également le montage relatif de la carcasse avec le joint compressible. Une légère gorge formée dans la carcasse peut servir à obtenir un ensemble compact par clippage avec le joint torique. Bien entendu, d'autres moyens de liaison avec jeu sont possibles, dès lors qu'ils assurent un blocage en rotation du corps de bague par rapport à la carcasse. On comprendra que le nombre de chambres étanches éventuellement ménagées par le corps de bague n'est pas limité à deux, comme dans l'exemple précédent. La bague d'étanchéité de l'invention trouve de multiples applications, notamment dans des moteurs thermiques ou des pompes, et permet d'assurer une étanchéité de l'arbre vis-àvis d'un fluide qui peut être liquide ou gazeux et contenir éventuellement des particules en suspension. La bague d'étanchéité peut fonctionner dans des conditions particulièrement sévères avec une vitesse périphérique de l'arbre supérieure à 10 mètres/seconde et une pression de fluide supérieure à 1 bar (105 pascals). Ce dispositif peut fonctionner dans des conditions sévères avec une tenue en service d'au moins 10 000 heures. Revendications 1.- Bague d'étanchéité propre à être interposée entre un arbre tournant (12) et un support (14), caractérisée en ce qu'elle comprend - un corps de bague (26) formé d'un matériau autolubrifiant à faible coefficient de frottement et comportant une surface intérieure (28) propre à entourer l'arbre tournant (12) avec frottement étanche, ainsi qu'une gorge périphérique extérieure (38); - une carcasse (40) propre à être montée dans un logement (18) du support (14) et comportant une surface d'appui (46) disposée en regard de la gorge périphérique (38) du corps de bague (26) pour délimiter avec celle-ci un espace annulaire; - un joint torique compressible (48) logé dans l'espace annulaire ainsi délimité entre le corps de bague (26) et la carcasse (40); et - des moyens de liaison (50,52) avec jeu autorisant un montage flottant, avec blocage en rotation, du corps de bague (26) dans la carcasse (40). 2.- Bague d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisée en ce que la surface intérieure (28) du corps de bague (26) est de forme cylindrique lisse. 3.- Bague d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisée en ce que la surface intérieure (28) du corps de bague (26) comporte au moins deux lèvres annulaires (30) dirigées vers l'arbre (12) et ménageant entre elles au moins une chambre annulaire étanche (32). 4.- Bague d'étanchéité selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'un lubrifiant est introduit au montage dans l'une au moins des chambres annulaires étanches (32). 5.- Bague d'étanchéité selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le matériau autolubrifiant dont est formé le corps de bague (26) est du type rigide ou semirigide. 6.- Bague d'étanchéité selon la revendication 5, caractérisée en ce que le matériau auto lubrifiant est choisi parmi des matières thermoplastiques à hautes performances et des matériaux à base de polytétrafluoroéthylène. 7.- Bague d'étanchéité selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la carcasse (40) est de forme générale annulaire et le logement (18) du support (14) qui la reçoit est de forme générale cylindrique homologue, et en ce que la surface d'appui (46) de la carcasse (40) comporte éventuellement un logement (49) de réception du joint torique (48). 8.- Bague d'étanchéité selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la carcasse (40) est formée dans le même matériau que le support (14). 9.- Bague d'étanchéité selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le joint torique compressible (48) est choisi parmi un joint en élastomère résistant aux hautes températures et un joint composite comportant une âme ressort en acier et un habillage assurant l'étanchéité. 10.- Bague d'étanchéité selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que les moyens de liaison comprennent au moins deux ergots (52) diamétralement opposés et formés circonférentiellement sur la carcasse (40) et s'engageant avec jeu respectivement dans au moins deux encoches (50) formées circonférentiellement sur le corps de bague (26).