Brevet FR2800148A1 — publié le 20010427

JOINT TORIQUE A DOUBLE LIGNE D'ETANCHEITE ET PROCEDE D'EVALUATION DE LA FONCTIONNALITE D'UN TEL JOINT L'invention se rapporte à un joint torique présentant une double ligne d'étanchéité et un procédé d'évaluation de la fonctionnalité d'un tel joint relativement à sa résistance à l'extrusion et à sa facilité au montage. Ce type de joint est destiné aux applications qui nécessitent d'abord une fonction d'étanchéité particulièrement efficace. Ces applications concernent les raccords de circuits de climatisation, de circuits de refroidissement, et de tout circuit, dans le domaine de l'automobile, et d'outil ou de machine dans tout domaine mécanique, qui nécessite la circulation d'un fluide, - air, gaz, liquides -, par exemple robot, perceuse, machine-outil, etc. Outre la performance du joint en étanchéité, il apparaît que deux autres propriétés sont plus spécialement à considérer pour les applications citées: il s'agit de la facilité au montage, c'est-a-dire de la réduction des efforts exercés lors du montage ou " montabilité ", et de la résistance à la pression. La mise en place des pièces centrales nécessite en effet l'exercice d'efforts mécaniques sur les joints, ces efforts pouvant provoquer le retournement et/ou le vrillage du joint dans sa gorge. Par ailleurs, dans les cas de circulation de fluide sous pression élevée, d'une trentaine de bars à, par exemple, 100 ou 200 bars, le joint doit également pouvoir présenter une forte résistance pour éviter toute extrusion du joint dans les jeux de montage. Actuellement, les joints destinés à ces types d'applications sont classiquement formés de deux joints toriques disposés dans deux gorges successives. Cette solution, outre son coût relativement élevé, présente le défaut de faire coïncider les plans de joints, sur lesquels subsistent les irrégularités du moulage, aux zones fonctionnelles assurant l'étanchéité. D'autres solutions à joint annulaire unique ont été 3o développées. Ces joints de type multilèvres, développés par exemple par la société MINNESOTA RUBBER, ne permettent pas d'offrir une résistance à l'extrusion suffisante lors de l'application de fortes pressions. La présente invention vise donc à réaliser un joint à double ligne d'étanchéité qui soit résistant à l'extrusion tout en présentant un effort au montage réduit, sans présenter de risques de retournement et de vrillage au montage. 2 2800148 Pour atteindre cet objectif, l'invention propose un joint torique dont la section pleine présente un contour formé par quatre lobes à courbure continue, avec une répartition des masses et une massivité suffisante entre des enveloppes interne et externe afin de réaliser une répartition des contraintes satisfaisante. Plus précisément, I'invention a pour objet un joint torique en matériau élastique, de section droite pleine à quatre lobes convexes reliés par quatre lignes à courbure concave continue, destiné à être disposé dans une gorge annulaire pour y être comprimé et présentant, en section, un axe io longitudinal et un axe de symétrie radial perpendiculaire à l'axe longitudinal, caractérisé en ce que les quatre lobes sont inscrits dans une enveloppe rectangulaire externe et circonscrits à une enveloppe rectangulaire interne, en ce que le rectangle externe présente un coefficient de rectangularité supérieur à sensiblement 1,2, en ce qu'il présente un coefficient de massivité formé par le rapport des aires couvertes par les rectangles externe et interne est compris sensiblement entre 1,25 et 3, alors qu'il présente des coefficients de déformabilités axiale et radiale supérieurs à des seuils prédéterminés, ainsi qu'un coefficient d'asymétrie axiale compris entre 1 et 0,5 et un coefficient de compression compris entre sensiblement 1,1 et 1,3, et en ce que, pour résister à l'extrusion, ce joint présente un coefficient de massivité qui tend vers les valeurs les plus proches de l'unité et un coefficient de compression qui tend vers les valeurs les plus faibles, alors que, pour réduire l'effort au montage, il présente des coefficients de massivité et de déformabilité axiale qui tendent vers des valeurs maximales. Dans ce qui précède: - le matériau élastique du joint selon l'invention peut être un matériau thermoplastique, un élastomère, par exemple de type polybutadiène ou polypropylène nitrile hydrogéné ou un autre caoutchouc; le coefficient de rectangularité est égal au rapport entre la longueur et la largeur du rectangle; - le coefficient de déformabilité axiale est défini comme le produit entre la hauteur de rétrécissement axial par la distance entre les points de contact des lobes avec les côtés du rectangle externe correspondants, ce produit étant rapporté à la différence entre les aires des rectangles externe et interne; 3 2800148 - le coefficient de déformabilité radiale est déterminé par la différence entre les largeurs des rectangles externe et interne rapportée à la largeur du rectangle externe; - le coefficient d'asymétrie axiale est défini comme la distance de l'axe longitudinal à la longueur du rectangle interne disposée du côté de l'ouverture de la gorge, rapportée à la distance de cet axe à la longueur de ce rectangle disposée du côté du fond de la gorge; et - le coefficient de compression est défini comme la largeur de gorge rapportée à la largeur du rectangle interne. L'invention permet notamment de réaliser la gorge par simple roulage, de coût sensiblement réduit, et non par usinage de deux gorges successives, grâce à l'encombrement réduit d'une gorge unique même munie de pentes relativement plus importantes du fait du roulage. Selon des formes de réalisation particulières, la section du i, joint torique présente: - une répartition des hauteurs de rétrécissement radial, définie par la hauteur de rétrécissement disposée du côté du fond de gorge rapportée à la hauteur de rétrécissement disposée du côté de l'ouverture de gorge, comprise sensiblement entre 1 et 0,3; - chacun des deux facteurs du coefficient de déformabilité axiale, la hauteur de rétrécissement et la distance entre points de contact des lobes, est borné, après normalisation, par des valeurs extrémales; - des valeurs de coefficient de déformabilité radiale comprises entre 0,2 et 0,3, et des valeurs de déformabilité axiale comprises entre 0,05 et 0,25. L'invention concerne également un procédé d'évaluation de la fonctionnalité d'un joint à double ligne d'étanchéité consistant à élaborer pour un joint donné la valeur d'un critère fonctionnel défini comme le produit multiplié par 100 des coefficients d'asymétrie, de massivité, de compression, de déformabilités axiale et radiale, à positionner la valeur obtenue dans une gamme de valeurs comprise entre 1 et 20, à estimer les joints dont le critère de fonctionnalité ont des valeurs qui tendent vers l'unité comme hautement résistants à l'extrusion, à les estimer comme présentant une haute montabilité lorsque ces valeurs sont les plus proches de 20, et à les estimer comme présentant une capacité de résistance ou de montabilité lorsque les valeurs du critère de fonctionnalité varient entre sensiblement 6 et 14, en prenant en 4 2800148 considération, comme critère secondaire, respectivement le coefficient de déformabilité axiale pour la résistance à l'extrusion et le produit du coefficient de massivité par le coefficient de compression pour la montabilité. Selon un mode particulier, le procédé prend en compte comme valeurs des critères secondaires, les valeurs inférieures à 0,15 pour le coefficient de déformabilité axiale, et les valeurs supérieures à 2 pour le produit du coefficient de massivité par le coefficient de compression. Avantageusement, I'utilisation d'un tel critère de fonctionnalité permet d'optimiser les cotes du joint de forme quadrilobaire selon l'invention 0o en fonction des principales contraintes d'environnement, c'est-à-dire la résistance à l'extrusion et l'effort au montage souhaités. Les conditions générales de fonctionnement du joint selon l'invention sont respectées, c'est-à-dire une compression de joints comprises entre 5 et 40%, la largeur de gorge restant toujours suffisante pour absorber l5 le volume du joint comprimé en tenant compte, le cas échéant, de son gonflement dans le fluide de fonctionnement. Avantageusement, l'invention permet de réaliser des joints aptes à subir des pressions relativement élevées, par exemple dans un circuit de climatisation à fluide circulant à 30 bars, sans présenter de difficultés au montage. La tenue à des pressions plus élevées, par exemple jusqu'à 100 à bars dans des circuits d'assistance de direction automobile, ou de 300 bars dans les circuits de freinage, est également garantie avec des joints calibrés selon l'invention, sans présenter de problème au montage. Avantageusement, l'invention permet de former une pièce aisément moulable en deux parties, afin de préserver l'intérêt économique de la solution. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, présentées à titre non limitatif en référence aux figures annexées, qui représentent respectivement: - les figure la et lb, des vues schématiques en coupe d'un joint selon l'invention monté en compression dans la gorge de l'alésage d'un corps et dans la gorge d'un arbre central; - la figure 2, la section droite d'un premier exemple de joint selon l'invention apte à résister à des pressions élevées dans un circuit de climatisation 2800148 - la figure 3, le joint selon la figure 2 après montage dans la gorge, la figure 4, le joint torique de l'exemple précédent vu en coupe, une fois comprimé par un arbre central; - les figures 5 à 8, en section droite, d'autres exemples de différents joints pour des circuits à haute pression; et - les figures 9 à 11, en section droite, des exemples de différents joints selon l'invention, plus particulièrement aptes à présenter une montabilité élevée pour des circuits à faible pression. io Les signes de référence identiques sur les figures renvoient à des éléments identiques ou équivalents. Selon le type d'application envisagé, et comme illustré en coupe longitudinale aux figures la et lb, les joints toriques 10 sont montés dans une gorge annulaire 20, de largeur G, respectivement réalisée dans un i, corps 30 qui présente un alésage 31 ou dans un arbre 40. L'ensemble présente une symétrie de révolution autour d'un axe longitudinal A'A et une symétrie radiale autour d'un plan médian P, perpendiculaire à l'axe A'A et passant en milieu de gorge. En fonctionnement, le joint 10 est comprimé entre la gorge 20 et l'arbre 40 (figure l1a) ou le corps 30 (figure lb). La gorge présente un fond 21, des côtés latéraux 22, et une ouverture 23 à travers laquelle le joint, une fois monté, est comprimé. La figure 2 illustre la section droite d'un premier exemple de joint selon l'invention apte à résister à des pressions de l'ordre de 30 à 100 bars dans un circuit de climatisation automobile. Tel que représenté, le joint 10 présente en section une double symétrie: une symétrie axiale selon l'axe longitudinal X-X, et une symétrie radiale selon l'axe Y-Y, qui est la trace dans le plan de représentation du plan médian P (figures la et lb). L'intersection O des deux axes de symétrie est donc un centre de symétrie pour le joint. Le joint 10 est formé de quatre lobes identiques, de sections convexes continues L1 à L4, et réunis de manière continue par des surfaces concaves, de sections S pour les concavités axiales situées le long de l'axe X'-X, et Sl et S2 pour les concavités radiales situées le long de l'axe radial Y'-Y. Sur la figure, les références de même parité sont situées d'un même côté de l'axe X'-X. Le contour C du joint 10 est inscrit dans une enveloppe externe Re, de forme rectangulaire, avec, pour points de contact, les points 6 2800148 référencés 11 à 14, indexes a et b suivant que ces points sont en contact avec les largeurs le et les longueurs Le du rectangle circonscrit Re. Les points de contact, 1 la et 14a ou 13a et 12a, disposés sur une même largeur le, sont distants d'un même écart D. Le contour C est par ailleurs circonscrit à une enveloppe rectangulaire interne Ri tangent audit contour aux points de contact tl, t2 et t, coïncidant avec les points de concavité respectivement radiale (pour tl et t2) et axiale (pour les points t) situés au plus profond des rétrécissements He et Hi d'une part et H d'autre part, formés par ces concavités sur les axes de symétrie correspondants, respectivement YY et X'X. Le rectangle inscrit Ri est formé de longueurs L et de largeurs I, respectivement parallèles aux axes de symétrie X'-X et Y'-Y. Cette section 1 présente un coefficient de rectangularité Le/le, sensiblement égal à 1,35. Cette valeur est supérieure à la valeur seuil 1, 2 pour garantir un bon coefficient de rectangularité selon l'invention, afin d'obtenir un joint qui puisse à la fois limiter les risques de vrillage du joint au montage et fournir une bonne résistance à l'extrusion du joint sous pression. Dans cet exemple de réalisation, le coefficient de symétrie Ko, défini comme le rapport des distances de l'axe longitudinal X-X à chacune des longueurs I du rectangle inscrit R, est égal à 1 puisque la section présente une symétrie axiale par rapport à l'axe X'-X. Par ailleurs, le joint présente un coefficient de massivité K1, rapport des aires Se/Si limitées par les rectangles Re et Ri, égal à 1,49, c'est-à- dire compris entre environ 1,25 et 3. Au-delà de cette gamme de valeur, c'est- à-dire pour une valeur de K. supérieure à 3, le joint s'extrude trop aisément. Pour des joints plus particulièrement résistants à l'extrusion, c'est-àdire aux pressions plus élevées, par exemple supérieures à 200 bars, les valeurs de Ki tendent vers les valeurs les plus proches de 1. En deçà de cette gamme de valeurs, c'est-à-dire pour des valeurs inférieures à environ 1,2, le joint devient trop massif pour être monté dans des conditions acceptables. Pour vérifier la montabilité du joint, il convient avantageusement d'établir la valeur du coefficient de compression K2 que va subir le joint au montage, comme illustré à la figure 3, ce coefficient étant défini par le rapport G/li, G étant égal à 1,66 mm dans ce type de montage. Dans cet exemple, le joint présente un coefficient K2 de 1,10, soit dans la gamme de valeurs recommandées comprises entre environ 1,1 et 1,3. 7 2800148 Par ailleurs, toujours pour vérifier le caractère montable de ce type de joint plus particulièrement résistant à l'extrusion, d'autres coefficients et cotes sont évalués comme il suit: - le coefficient de déformabilité axiale K3, défini par la quantité H x D rapportée au différentiel des aires des enveloppes, Se - Si, égale à 0,09 est bien supérieur à la valeur seuil 0,05 recommandée; - les facteurs normalisés H/Le et D/le du coefficient K3, de valeurs respectivement égales à 0,053 et 0,60, sont bornés par les valeurs extrêmes à respecter de préférence, c'est-à-dire respectivement entre 0,05 et 0,25 pour le facteur H/Le et entre 0,20 et 0,80 pour le facteur D/le. - le coefficient de déformabilité radiale K4, égal à (le - li)/le, qui vaut 0,25 dans cet exemple, se trouve au centre d'une plage 0,2-0,3 plus particulièrement recommandée. Pour assurer une bonne équi-répartition des contraintes sur les quatre lobes, il est avantageux de vérifier la répartition des hauteurs de rétrécissement radial, définie par la hauteur de rétrécissement Hi disposée du côté du fond de gorge rapportée à la hauteur de rétrécissement He disposée du côté de l'ouverture de gorge. Dans le cas illustré, cette répartition est égale à 1 du fait de la symétrie du joint, valeur étant comprise dans la gamme recommandée qui peut aller jusqu'à 0, 3 pour les joints asymétriques La vue en coupe selon la figure 4 illustre le joint torique de l'exemple précédent vu en coupe, une fois comprimé par l'arbre 40 dans le circuit de climatisation. Mis sous pression égale à environ 30 bars, exercée par le fluide de climatisation, la section du joint 10 présente, comme illustré sur la figure, une déformation. En particulier, il apparaît que la section n'est pas extrudée dans le jeu radial 32 entre l'arbre 40 et la structure 30, la portion du lobe L, située en regard de cet espace 32 ne pénétrant pas dans ce dernier. Les figures 5 à 8 illustrent d'autres exemples de sections de différents joints selon l'invention, respectivement 50, 60, 70 et 80, plus particulièrement aptes résister à l'extrusion sous des pressions de plus en plus élevées, pouvant aller par exemple jusqu'à des pressions de 100 bars (circuits de direction assistée) à 300 bars (pour des circuits de freinage). Les différentes cotes et coefficients de ces joints sont résumés dans le tableau I ci-après. 8 2800148 Lorsqu'il s'agit de réaliser des raccords sous des pressions plus faibles, par exemple de l'ordre de 5 bars pour des raccords de type à air, le critère de résistance à l'extrusion n'est plus aussi critique. Il est alors possible, d'optimiser l'effort de montage pour des joints de relativement plus grandes dimensions, par exemple de diamètre intérieur supérieur à 30 mm, sans que les lobes deviennent trop fragiles, c'est-àdire en conservant un coefficient de massivité K1 raisonnable, en particulier inférieur à 3. Cette optimisation de la montabilité se traduit par un effort de montage réduit, facteur à prendre en considération sur une chaîne de montage automobile, en particulier pour des joints de cette taille, induisant facilement des efforts de plusieurs dizaines de daN. Cette optimisation sans risque de vrillage ou de retournement au montage, est essentiellement obtenue en réalisant des joints selon les critères de l'invention qui présentent des coefficients de massivité K1 et de déformabilité axiale K3 qui tendent vers des valeurs maximales, c'est-à- dire respectivement environ 1,8 à 2,5 pour K1 et environ 0,25 pour K3. Les figures 9 à 11 illustrent des exemples de section de différents joints selon l'invention, respectivement 90, 100 et 110, plus particulièrement aptes à présenter une montabilité élevée tout en présentant une bonne résistance à l'extrusion pour des pressions qui restent relativement faibles, de l'ordre de 5 à 10 bars. Dans le tableau I qui suit, sont résumés les valeurs des cotes principales D, H et G ainsi que les coefficients KO à K4, et le produit K représentant le critère de fonctionnalité, pour les différents joints 10 à 100 tels qu'illustrés aux figures 2, et 5 à 11, et classés dans l'ordre des valeurs de K croissantes. 9 2800148 TABLEAU I Référence JOINT D (mm) H (mm) G K0 K1 K2 K3 K4 K 0,95 0,14 1,66 0,50 1,49 1,10 0,07 0,25 1,53 1,25 0,14 1,66 0,50 1,49 1,10 0,10 0,25 2,02 1,25 0,14 1,66 0,88 1,49 1,11 0,10 0,25 3,54 1,20 0,14 1,66 1,00 1,49 1,10 0,09 0,25 3,9 2,58 0,69 3,40 0,54 1,81 1,22 0,23 0,23 6,1 2,30 0,75 3,20 1,00 1,98 1,18 0,20 0,26 12,1 2,64 0,87 3,20 1,00 2,13 1,18 0,24 0,26 16,2 2,24 1,14 3,20 1,00 2,63 1,19 0,23 0,28 19,8 Dans ce tableau, les valeurs de coefficient de déformabilité radiale K4 restent bien comprises entre 0,2 et 0,3, et les valeurs de déformabilité axiale K3 comprises entre 0,05 et 0,25. Ce tableau montre que lorsqu'il s'agit de définir la géométri(qu)e d'un joint selon l'invention, le critère fonctionnel K, produit de tous les coefficients K0 à K4, couvre sensiblement une gamme de valeurs allant globalement de 1 à 20. Plus précisément, une évaluation de la fonctionnalité d'un joint à double ligne d'étanchéité consiste à élaborer la valeur de ce critère K pour un joint donné selon l'invention, à positionner la valeur obtenue dans la gamme de valeurs entre 1 et 20, à estimer les joints dont le critère de i5 fonctionnalité ont des valeurs qui tendent: - vers l'unité comme hautement résistants à l'extrusion - pour les valeurs plus proches de 20 comme présentant une haute montabilité; - pour les valeurs du critère de fonctionnalité variant sensiblement entre 6 et 14 comme résistants ou facilement montables en prenant en considération un critère secondaire. 2800148 Comme critère secondaire, il convient de prendre le coefficient de déformabilité axiale K3 comme favorisant la résistance à l'extrusion et le produit K1 x K2 comme favorisant la montabilité. Par exemple, comme valeurs des critères secondaires, il est possible de déduire des valeurs inférieures à 0,15 pour K3, et des valeurs supérieures à 2 pour le produit K1 x K2. L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et illustrés. REVENDICATIONS 1. Joint torique en matériau élastique, de section droite pleine à quatre lobes convexes reliés par quatre lignes (S, S1, S2) à courbure concave continue, destiné à être disposé dans une gorge annulaire (20) pour y être comprimé et présentant, en section, un axe longitudinal (X'X) et un axe de symétrie radial (Y'Y) perpendiculaire à l'axe longitudinal, caractérisé en ce que les quatre lobes (L1 à L4) sont inscrits dans une enveloppe rectangulaire externe (Re) et circonscrits à une enveloppe rectangulaire interne (R,), en ce que le rectangle externe présente un coefficient de rectangularité supérieur à sensiblement 1,2, en ce qu'il présente un coefficient de massivité K1 formé par le rapport des aires (Se, Si) couvertes par les rectangles externe et interne compris sensiblement entre 1,25 et 3, alors qu'il présente des coefficients de déformabilité axiale K3 et de déformabilité radiale K4 supérieurs à des seuils prédéterminés, ainsi qu'un coefficient d'asymétrie axiale K0 compris entre 1 et 0,5 et un coefficient de compression K2 compris entre sensiblement 1,1 et 1,3, et en ce que, pour résister à l'extrusion, ce joint présente un coefficient de massivité K1 qui tend vers les valeurs les plus proches de l'unité et un coefficient de compression K2 qui tend vers les valeurs les plus faibles, alors que, pour réduire l'effort au montage, il présente des coefficients de massivité K1 et de déformabilité axiale K3 qui tendent vers des valeurs maximales. 2. Joint torique selon la revendication 1, dans lequel une répartition des hauteurs de rétrécissement radial, définie par la hauteur de rétrécissement (Hi) disposée du côté du fond de gorge (21) rapportée à la hauteur de rétrécissement (He) disposée du côté de l'ouverture de gorge (23), est comprise sensiblement entre 1 et 0,3. 3. Joint torique selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel chacun des deux facteurs (H, D) du coefficient de déformabilité axiale, la hauteur de rétrécissement et la distance entre points de contact des lobes, est borné, après normalisation, respectivement par des valeurs extrémales. 4. Joint torique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel des valeurs de coefficient de déformabilité radiale sont comprises entre 0,2 et 0,3, et des valeurs de déformabilité axiale sont comprises entre 0,05 et 0,25. 5. Joint torique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que sa résistance à l'extrusion et sa montabilité sont déterminées par la valeur d'un critère fonctionnel, défini 12 2800148 comme le produit multiplié par 100 des coefficients d'asymétrie, de massivité, de compression, de déformabilité radiale et de déformabilité axiale, compris entre 1 et 20, cette valeur tendant vers l'unité lorsque le joint offre une haute résistance à l'extrusion et vers 20 lorsque le joint présente une haute capacité à la montabilité 6. Joint torique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la valeur du critère fonctionnel est comprise sensiblement entre 6 et 14 lorsque le joint présente une fonctionnalité orientée vers une résistance à l'extrusion ou une capacité à la montabilité, en prenant en considération les 1o valeurs prises par un critère secondaire défini, respectivement, par le coefficient de déformabilité axiale pour'la résistance à l'extrusion ou par le produit du coefficient de massivité par le coefficient de compression pour la montabilité. 7. Joint torique selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il est pris en compte, comme valeurs de critère secondaire, les valeurs inférieures à 0,15 pour le coefficient de déformabilité axiale, et les valeurs supérieures à 2 pour le produit du coefficient de massivité par le coefficient de compression.