Brevet FR2778221A1 — publié le 19991105

DISPOSITIF D'ETANCHEITE ET PROCEDE POUR RENDRE ETANCHE DEUX PIECES MOBILES L'UNE PAR RAPPORT A L'AUTRE L'invention concerne un dispositif d'étanchéité, comportant au moins deux pièces pouvant se déplacer l'une par rapport à l'autre tout en étant étanche aux fluides et un procédé pour fluides Il est souvent nécessaire de rendre étanche aux fluides, c'est-à- dire à des liquides ou à des gaz, des volumes vis-à-vis de ce qui les entoure, par exemple vis-à-vis d'autres volumes ou de pièces mécaniques. C'est le cas, par exemple, pour des pistons mobiles d'un vérin hydraulique ou pneumatique, ou pour une traversée d'arbre. En même temps, les éléments d'étanchéité doivent souvent aussi compenser un jeu, des tolérances latérales, des modifications de dimensions dues à des variations de température, etc. En technique hydraulique, par exemple pour des soupapes d'injection de carburant, des directions assistées, des systèmes de freinage antiblocage, des amortisseurs et analogues, on souhaite des joints d'étanchéité économiques qui permettent de maintenir une pression et d'empêcher la perte de fluide. On a également besoin de joints d'étanchéité pour l'injection de carburant dans la chambre de combustion. Des systèmes de ce genre se trouvent dans une multiplicité de documents. On en trouve ainsi des exemples dans les documents DE 43 06 072 C2, DE 43 06 073 C1, DE 44 06 522 C1, DE 44 12 948 A1, ainsi que DE 44 42 649 C2. Il est courant de réaliser les éléments d'étanchéité, nécessairement élastiques pour les objectifs recherchés, sous la forme de joints toriques, qui doivent être fabriqués avec des tolérances étroites et une grande qualité de surface dans des matériaux de base coûteux tels que du caoutchouc synthétique, et qui doivent être introduits dans une rainure de dimensions et de fabrication précises, sans que le joint torique soit 2 2778221 endommagé lors du montage. Un joint d'étanchéité pour fluides réalisé au moyen de joints toriques est donc coûteux. Le brevet allemand n 225 177 A1 décrit un procédé de fabrication d'assemblages étanches suivant lequel deux pièces sont, après avoir été immobilisées, assemblées par un matériau d'étanchéité en leurs points de joint. Le document WO 89/12771 décrit une méthode de remplissage par un matériau d'étanchéité de l'intervalle entre une pièce fixe et une pièce mobile, qui peut s'effectuer en fonctionnement. Le matériau d'étanchéité et la pièce mobile glissent alors l'un sur l'autre. L'invention vise à apporter du nouveau pour les applications industrielles, et notamment, mais non exclusivement, à fournir un joint d'étanchéité économique et cependant satisfaisant, qui puisse posséder une élasticité suffisante. On y parvient par un dispositif caractérisé en ce que - une première des pièces comprend au moins un premier évidement, qui se trouve en renfoncement dans cette pièce à l'interface des deux pièces, - et l'autre pièce comprend au moins un autre évidement, qui fait au moins partiellement face à l'évidement de la première pièce, - il est prévu un élément d'étanchéité qui est formé par un matériau d'étanchéité, le matériau d'étanchéité remplit au moins le premier évidement et l'autre évidement d'une manière générale par complémentarité de forme, et peut être introduit dans les deux évidements au moyen d'au moins un canal d'injection communiquant avec au moins un évidement, de sorte que l'élément d'étanchéité est fixé sur les deux pièces. Une idée de base de l'invention consiste donc à fabriquer l'élément d'étanchéité dans les évidements eux-mêmes, ce qui permet de renoncer à de coûteuses adaptations. Au lieu d'un coûteux usinage de surface pour fabriquer un joint torique de précision, ce qui n'est généralement possible qu'avec un matériau de base coûteux, on effectue maintenant une fabrication de forme exacte, et ce sans que l'évidement ne nécessite un usinage particulièrement coûteux. A la suite de sa fabrication, l'élément d'étanchéité reste dans le moule et ne doit 3 2778221 plus être monté, ce qui réduit les dépenses de montage. Comme l'élément d'étanchéité est encore absent lors du montage des deux pièces, I'effort à fournir est également moindre, du fait du frottement réduit. On évite également de manière certaine un endommagement de l'élément d'étanchéité lors de lI'assemblage. Le matériau d'étanchéité est de préférence un élastomère, et il est de préférence choisi pour remplir l'évidement de façon optimale. Dans certains cas, il faut remplir un interstice entre les deux pièces, mais on doit souvent aussi empêcher une migration excessive du matériau entre les deux pièces, par exemple entre un piston et un cylindre. Afin d'allier ces exigences aux propriétés finales souhaitées du matériau d'étanchéité, on sélectionne de façon appropriée la pression d'injection, la plasticité, la géométrie de l'évidement et la température du matériau d'étanchéité; si nécessaire, on peut chauffer une des pièces, ou les deux pièces, à une température ou encore avec une variation de température par laquelle le matériau d'étanchéité prend la viscosité nécessaire pour l'injection, ou le matériau d'étanchéité durcit, ou un matériau d'étanchéité caoutchouteux est vulcanisé, ou encore un matériau d'étanchéité céramique est cuit. Par le traitement thermique, et éventuellement après une durée d'attente, on peut obtenir les propriétés souhaitées pour le matériau d'étanchéité fini. Un éventuel retrait lors de la vulcanisation de l'élément d'étanchéité sera compensé si le matériau d'étanchéité est injecté à une haute pression de, par exemple, 500 à 2000 bars, de sorte que le matériau d'étanchéité remplit toujours l'évidement avec une certaine pression d'application contre l'autre pièce, ce qui garantit toujours l'étanchéité. On peut obtenir un remplissage intégral de l'évidement par le fait qu'on prévoit, en plus de l'ouverture d'injection, une ouverture supplémentaire d'évacuation pour du matériau d'étanchéité injecté en excès, et/ou par le fait que l'évidement est mis sous vide par l'ouverture d'injection ou d'autres perçages avant ou pendant l'injection. Un autre évidement de la seconde pièce fait face au moins partiellement à l'évidement ou à chaque évidement de la première pièce, et les deux évidements sont remplis de matériau d'étanchéité. Il existe ainsi une liaison entre les deux pièces par l'intermédiaire du matériau d'étanchéité. 4 2778221 L'élément d'étanchéité remplit pour l'essentiel les évidements, il se trouve donc d'une manière générale en complémentarité de forme avec ces derniers vers l'intérieur et, sur le côté extérieur, il s'étend jusque dans la pièce en vis-à-vis. Cela est particulièrement avantageux pour des injecteurs de carburant à actionnement piézoélectrique ou par magnétostriction. Des actionneurs de ce genre sont à course courte, avec des courses de manoeuvre d'environ 0, 1 à 0,2% de la longueur de l'actionneur. La petite course du domaine micrométrique d'un actionneur de longueur encore raisonnable est typiquement convertie hydrauliquement, par le fait que l'actionneur déplace par l'intermédiaire d'un piston à grande surface du liquide dans un cylindre de section nettement plus petite. Pendant le fonctionnement de l'actionneur piézoélectrique ou magnétostrictif, il faut donc rendre étanche cet actionneur vis-à-vis du fluide présent dans le cylindre. Pour des dispositifs cylindre/piston ou d'autres dispositifs dans lesquels une des pièces est enfilée dans l'autre, I'évidement fait le tour de la pièce enfilée ou de celle qui est autour d'elle. Pour cette raison, dans l'état de la technique, il aurait fallu, uniquement pour le montage, utiliser des joints toriques pouvant rouler lors du mouvement relatif du piston et du cylindre, ce qui était empêché par le formage dans l'évidement. L'invention permet maintenant d'obtenir un assemblage durable de deux évidements en vis-à-vis, dans lequel la petite course de l'actionneur et donc du piston actionné par ce dernier, ne produit ou ne nécessite pas de cisaillement du matériau d'étanchéité. Du matériau d'étanchéité peut donc également arriver entre le cylindre et le piston, ce qui améliore encore l'étanchéité. L'évidement peut être réalisé sous forme de rainure. Grâce à la faible largeur de la rainure par rapport à sa profondeur, le matériau peut particulièrement bien absorber les déformations élastiques. Afin d'améliorer l'action d'étanchéité et d'augmenter la fiabilité de fonctionnement, on peut aussi prévoir plusieurs évidements séparés les uns des autres, notamment des évidements entourants qui sont axialement décalés les uns par rapport aux autres le long d'un axe de la pièce. Ces évidements axialement décalés les uns par rapport aux autres sont de préférence alimentés par un canal d'injection commun. A cet effet, de préférence, des 2778221 évidements axialement décalés dans un piston passent devant le canal d'injection et sont remplis successivement. Les matériaux d'étanchéité peuvent ensuite être conjointement traités thermiquement ou solidifiés dans les évidements. Apres le remplissage des évidements, le canal d'injection peut être fermé en étanchéité aux fluides par du matériau d'étanchéité et/ou par une vis d'étanchéité. Le matériau d'étanchéité est de préférence un matériau élastique et pouvant être coulé par injection, et il peut s'agir d'un matériau plastique chargé ou non chargé, d'un matériau composite ou d'un matériau céramique. L'utilisation de matériau céramique est avantageuse pour des moteurs thermiques, o ce genre de matériau céramique fonctionnel diminue l'usure par le frottement réduit, ce qui abaisse la consommation de carburant et augmente la durée de vie grâce à la résistance à l'abrasion. Pour le joint d'étanchéité de piston, le matériau d'étanchéité peut être injecté par le dessous du piston, de sorte qu'on n'a pas besoin de perçages d'injection dans la culasse. L'invention vise également un procédé qui consiste: - à prévoir un évidement sur au moins une première pièce, à l'interface vers l'autre pièce, - à prévoir un autre évidement sur l'autre pièce, au moins partiellement à I'interface vers la première pièce, - à assembler les deux pièces et - à remplir les deux évidements par injection d'un matériau d'étanchéité par au moins un canal d'injection, - à solidifier le matériau d'étanchéité, de sorte que l'élément d'étanchéité obtenu à partir du matériau d'étanchéité est fixé sur les deux pièces. De préférence, le matériau d'étanchéité et/ou au moins une pièce est conditionné, notamment est vulcanisé, par échauffement avant, pendant et/ou après l'injection, notamment par échauffement inductif, en particulier par échauffement inductif de la pièce. On va maintenant expliquer l'invention par d'autres exemples de réalisation et à l'aide des dessins schématiques annexés, dans lesquels: la figure 1 est une vue en coupe transversale d'un dispositif d'injection de carburant, la figure 2 est une vue en coupe le long de la ligne 11-11 de la figure 1, 6 2778221 la figure 3 représente un dispositif excentrique/bielle rendu étanche suivant l'invention, lorsqu'il est monté, les figures 4a à 4d représentent divers dispositifs d'étanchéité. Suivant la figure 1, un dispositif d'étanchéité pour fluides globalement désigné 1, pour un actionneur de soupape d'injection de carburant, comprend un élément 2a piézoélectrique pourvu de bornes 2, qui est disposé dans une chambre 3a formée par un boîtier 3. L'élément 2a piézoélectrique s'appuie d'un côté contre le fond 3b du boîtier, et de l'autre côté contre un piston 5 qui est précontraint en direction de l'élément 2a piézoélectrique par une rondelle-ressort 4. En faisant varier par l'intermédiaire des bornes 2 la tension appliquée à l'élément 2a piézoélectrique, le piston 5 peut être déplacé en va-et-vient dans un cylindre 6. Le cylindre 6 est rempli de fluide 7, qui communique avec un canal 7a de fluide qui présente un diamètre nettement inférieur à celui du cylindre 6. Le canal 7a de fluide est lui-même réalisé sous forme de cylindre, dans lequel est disposé un autre piston 8, ou un autre élément à déplacer. Cet agencement joue le rôle d'amplificateur de course pour l'élément 2a piézoélectrique. Le piston 5 et le cylindre 6 forment un dispositif d'étanchéité pour fluides, qui empêche la pénétration du fluide 7 dans la chambre 3a. Suivant l'invention, le dispositif d'étanchéité pour fluides comprend, en plus du piston 5 et du cylindre 6, qui constituent deux pièces à mobilité relative, un élément 9 d'étanchéité qui est principalement disposé dans un évidement 10 dans une des deux pièces, à savoir dans le piston 5. L'élément 9 d'étanchéité est réalisé en un matériau élastique 11, pouvant être coulé par injection, qui remplit également une ouverture 12 d'injection et une ouverture 12a d'évacuation ménagées dans le cylindre 6, et qui est également présent dans des interstices d'ajustement qui sont produits entre le piston 5 et le cylindre 6 par des tolérances de fabrication ou des variations de température. Du fait de la faible course de l'élément piézoélectrique, le piston se déplace très peu, de sorte que le joint d'étanchéité n'est pas cisaillé en service. Suivant l'invention, l'élément 9 d'étanchéité est fabriqué comme suit: le piston 5 est inséré dans le cylindre 6, et précontraint dans sa position 7 2778221 de repos par la rondelle-ressort 4. On injecte ensuite du matériau d'étanchéité brut dans l'ouverture 12 d'injection, jusqu'à ce qu'il en ressorte sur le côté opposé par l'ouverture 12a d'évacuation. On chauffe ensuite, pour donner au matériau d'étanchéité brut ses propriétés finales. Cela peut s'effectuer par exemple par vulcanisation pour un matériau d'étanchéité en caoutchouc brut; à cet effet, on chauffe le dispositif en tout ou partie, par exemple de façon inductive et locale. En même temps, on peut aussi traiter le matériau 9 d'étanchéité brut dans les canaux 12, ce qui rend les canaux étanches. La figure 3 représente un autre dispositif 20 cylindre/piston comme dispositif d'étanchéité pour fluides suivant l'invention, qui est essentiellement identique à celui décrit ci-dessus. Comme précédemment, le dispositif 20 cylindre/piston comprend un piston 22 à déplacer dans un cylindre 21, piston qui est relié à un élément à déplacer, ici une bielle 23. Le piston 22 comporte une rainure 24 de piston, qui constitue un évidement pour recevoir du matériau d'étanchéité et dans laquelle, lors de la fabrication du joint, on introduit par l'intermédiaire de l'ouverture 25 d'injection, dans la position représentée du piston, du matériau 26 d'étanchéité afin de rendre étanche le dispositif cylindre/piston. Le matériau d'étanchéité excédentaire peut s'échapper par l'ouverture 27 d'évacuation. Le matériau d'étanchéité peut être un matériau d'étanchéité céramique, et être cuit dans la rainure 24 de piston. Les figures 4a à 4d représentent à nouveau diverses variantes de joint d'étanchéité suivant l'invention, à savoir sur la figure 4a des joints d'étanchéité pour piston essentiellement unilatéraux, sur la figure 4b des joints d'étanchéité composites bilatéraux, sur la figure 4c des joints trapézoïdaux avec des évidements trapézoïdaux pour recevoir le matériau d'étanchéité, et sur la figure 4d un joint d'étanchéité pour piston multiple, suivant lequel, afin d'améliorer l'étanchéité et d'augmenter la fiabilité de fonctionnement, une pluralité d'évidements axialement décalés les uns par rapport aux autres sont successivement remplis au moyen d'une unique ouverture 41 d'injection. Dans le cas d'évidements faisant le tour du piston dans des cylindres ou des arbres, le matériau d'étanchéité constitue donc, suivant l'invention, un joint torique fabriqué sur le lieu d'utilisation. 8 2778221 REVENDICATIONS 1.- Dispositif d'étanchéité pour fluides, comportant - au moins deux pièces pouvant se déplacer l'une par rapport à l'autre tout en étant étanche aux fluides, caractérisé en ce que - une première (5) des pièces comprend au moins un premier évidement (10), qui se trouve en renfoncement dans cette pièce (5) à l'interface des deux pièces, - et l'autre pièce (6) comprend au moins un autre évidement, qui fait au moins partiellement face à l'évidement (10) de la première pièce, - il est prévu un élément (9) d'étanchéité qui est formé par un matériau d'étanchéité, le matériau d'étanchéité remplit au moins le premier évidement (10) et l'autre évidement d'une manière générale par complémentarité de forme, et peut être introduit dans les deux évidements au moyen d'au moins un canal d'injection communiquant avec au moins un évidement, de sorte que l'élément d'étanchéité est fixé sur les deux pièces. 2.- Dispositif d'étanchéité pour fluides suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'une des pièces (5) est enfilée dans l'autre pièce (6) et I'évidement fait le tour de la pièce enfilée ou de celle qui est autour d'elle. 3.- Dispositif d'étanchéité pour fluides suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'une des deux pièces est un piston et l'autre un cylindre, notamment un cylindre hydraulique ou pneumatique. 4.- Dispositif d'étanchéité pour fluides suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'évidement est réalisé sous forme de rainure. 5.- Dispositif d'étanchéité pour fluides suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'une pièce comporte 9 2778221 plusieurs évidements distincts les uns des autres, notamment des évidements entourants qui sont axialement décalés les uns par rapport aux autres le long d'un axe de la pièce. 6.- Dispositif d'étanchéité pour fluides suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un canal d'injection commun est associé à une pluralité d'évidements. 7.- Dispositif d'étanchéité pour fluides suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le canal d'injection est, après le remplissage de l'évidement, fermé de manière étanche aux fluides par du matériau d'étanchéité et/ou par une vis d'étanchéité. 8.- Dispositif d'étanchéité pour fluides suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau d'étanchéité est un élastomère et/ou un matériau pouvant être coulé par injection, et est notamment sélectionné parmi des matériaux plastiques chargés ou non chargés, des matériaux composites ou des matériaux céramiques. 9.- Procédé pour rendre étanches des pièces qui peuvent se déplacer l'une par rapport à l'autre, caractérisé en ce qu'il consiste: - à prévoir un évidement sur au moins une première pièce, à l'interface vers l'autre pièce, - à prévoir un autre évidement sur l'autre pièce, au moins partiellement à l'interface vers la première pièce, - à assembler les deux pièces et - à remplir les deux évidements par injection d'un matériau d'étanchéité par au moins un canal d'injection, - à solidifier le matériau d'étanchéité, de sorte que l'élément d'étanchéité obtenu à partir du matériau d'étanchéité est fixé sur les deux pièces. 10.- Procédé suivant la revendication 9, suivant lequel le matériau d'étanchéité et/ou au moins une pièce est conditionné, notamment est vulcanisé, par échauffement avant, pendant et/ou après l'injection, notamment par échauffement inductif, en particulier par échauffement inductif de la pièce. 11.- Procédé suivant la revendication 9 ou 10, suivant lequel une pièce ou les deux pièces sont chauffées à une température ou encore avec une variation de température qui donne au matériau une viscosité souhaitée lors du remplissage de l'évidement, le durcit ou le vulcanise. 2778221 12.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 9 à 11, suivant lequel le matériau d'étanchéité est injecté à une haute pression de, par exemple, 500 à 2000 bars. 13.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 9 à 12, suivant lequel le matériau d'étanchéité est injecté en excès et le matériau d'étanchéité excédentaire s'échappe par au moins une ouverture d'évacuation présente en plus de l'ouverture d'injection, et/ou suivant lequel l'évidement est mis sous vide par l'ouverture d'injection ou par d'autres perçages avant ou pendant l'injection.