Brevet FR2817317A1 — publié le 20020531

i La présente invention concerne un joint d'étanchéité entre deux pièces de révolution concentriques. De nombreux mécanismes mettent en jeu un cylindre dans lequel coulisse un piston qui sépare deux chambres. Il s'agit notamment d'actionneurs pneumatiques ou hydrauliques à déplacement linéaire ou hélicoïdal ou de vérin. Une étanchéité radiale doit être prévue, au niveau du piston, pour empêcher le passage du fluide pneumatique ou hydraulique d'une chambre à l'autre. Cette étanchéité revêt une importance considérable dans de nombreuses applications dans lesquelles un vérin simple ou double effet doit assurer un maintien en pression et/ou un maintien en position notamment dans le cas d'un vérin asservi. La précision du maintien en position de la tige solidaire du piston, dépend, en effet, de la capacité du vérin à maintenir une différence de pression constante entre chacune de ses chambres. En outre, les moyens d'étanchéité doivent présenter un faible coefficient de frottement, de façon à ne nécessiter qu'une faible différence de pression, entre les deux chambres, pour mettre en mouvement le piston. De plus, les moyens d'étanchéité ne doivent pas induire de phénomène de broutage lors du déplacement du piston. Pour réaliser l'étanchéité, entre la surface d'un piston et celle d'un cylindre, il est connu de réaliser une gorge annulaire dans le piston. Cette gorge est destinée à recevoir un joint. Ce joint peut être constitué d'un élément extenseur annulaire en matériau élastomère, disposé contre le fond de la gorge ménagée dans le piston et d'un élément annulaire d'étanchéité en matériau synthétique tel que du PTFE susceptible de venir en contact contre la surface du cylindre. Ces deux éléments sont disposés de manière concentrique, en contact l'un de l'autre. L'élément extenseur a pour fonction de transformer la pression axiale exercée par le fluide, en une pression radiale qui plaque l'élément de frottement contre la surface à étanchéifier. Les joints de ce type présentent globalement de bonnes propriétés d'étanchéification. Toutefois, dans toute la gamme de pressions et principalement en basse et moyenne pression et/ou après un nombre de cycles important de mouvements du piston, on peut constater des mouvements du piston dus à l'apparition de fuites et/ou la formation d'un film de fluide entre la surface de l'élément de frottement et la surface du cylindre à étanchéifier. Un but de l'invention est donc de proposer un joint pour pièces mécaniques concentriques animées d'un mouvement alternatif l'un par rapport à l'autre présentant une meilleure étanchéité et une durée de vie plus longue. Ce joint assurant l'étanchéité entre deux pièces mécaniques concentriques, une pièce étant animée d'un mouvement alternatif par rapport à l'autre pièce qui reste fixe, et est logé dans une gorge annulaire ménagée dans la pièce en mouvement, comprend de manière connue en soi - au moins un élément annulaire d'étanchéité dont la surface périphérique est en appui contre la surface de la pièce fixe, - au moins un élément annulaire extenseur en matériau élastique de type élastomère qui exerce une pression radiale sur l'élément annulaire d'étanchéité, Selon l'invention, l'élément annulaire d'étanchéité de section sensiblement rectangulaire, présente sur sa face périphérique une gorge centrale de section transversale triangulaire ayant un faible angle de dépouille, encadrée de deux gorges de section transversale semi-circulaire, les jonctions de ces gorges définissant deux arêtes d'étanchéification, deux surfaces d'étanchéification s'étendent depuis chacune des gorges semi- circulaires jusqu'aux deux extrémités latérales de sa face périphérique de l'élément annulaire extenseur présente une section quadrangulaire. Ce joint réalise une étanchéité dynamique et statique. L'étanchéité statique, c'est à dire lorsqu'il n'y a pas de mouvement relatif d'une pièce par rapport à l'autre, est réalisée principalement par les surfaces d'étanchéification. L'étanchéité dynamique, c'est à dire lorsque les pièces sont en mouvement l'une par rapport à l'autre, est réalisée par la déformation de l'élément annulaire qui exerce une pression radiale sur l'élément annulaire d'étanchéité. Au niveau de l'interface de contact entre la face périphérique de l'élément annulaire d'étanchéité et la surface de la pièce fixe, les arêtes d'étanchéification et les surfaces d'étanchéification créent chacun un pic de pression orthogonal à l'interface de contact. Ces pics de pression forment chacune une barrière à la formation d'un film de fluide entre la surface périphérique de la bague d'étanchéification et la surface de la pièce fixe. De préférence, I'angle de dépouille, entre chacune des surfaces formant la gorge centrale et le plan de la face périphérique de l'élément annulaire d'étanchéité, est compris entre 1 et 5 . Avantageusement, I'élément annulaire d'étanchéité présente deux surfaces annulaires chanfreinées qui raccordent sa surface périphérique à chacune de ses surfaces latérales. Ces surfaces chanfreinées facilitent le montage de la pièce mobile munie du joint dans la pièce fixe. Selon une caractéristique avantageuse chacune des faces latérales de l'élément annulaire d'étanchéité présente au moins une rainure radiale. De préférence, chacune des faces latérales présente quatre rainures radiales disposées à 45 les unes des autres. Préférentiellement, chacune des rainures radiales présente une paroi de fond s'étendant obliquement depuis chacune des arêtes inférieures de l'élément annulaire d'étanchéité. De manière avantageuse, I'élément annulaire extenseur présente une section transversale trapézoïdale dont la plus petite de ses bases définit une surface venant en appui contre la surface intérieure de l'élément annulaire d'étanchéité. La section transversale trapézoïdale permet, sous une pression axiale, un léger évasement de l'élément annulaire extenseur dans sa zone de contact avec l'élément annulaire d'étanchéité. Pour sa bonne compréhension, I'invention est décrite ci-après en référence au dessin annexé représentant, à titre d'exemple non limitatif, une forme de réalisation préférée du joint d'étanchéité que l'invention concerne, dans lequel: La figure 1 est une vue en perspective avec arrachement partiel de ce joint, La figure 2 est une vue en coupe du joint monté dans un piston d'un vérin, La figure 3 est une vue en coupe d'un vérin intégrant le joint. Comme le montre la figure 1, le joint 2 comprend un élément annulaire d'étanchéité 3 et un élément annulaire extenseur 4. Ces deux éléments concentriques sont en contact surfacique l'un par rapport à l'autre. L'élément annulaire d'étanchéité est réalisé en un matériau synthétique, présentant un faible coefficient de frottement tel qu'un polytétrafluoroéthylène. L'élément annulaire d'étancheité présente une section transversale sensiblement rectangulaire, présentant deux faces latérales planes 6, une face périphérique 7 et une face intérieure 8 plane. La face périphérique 7 de la bague 3, présente, en son centre, une gorge centrale 9 de section transversale triangulaire, ayant un faible angle de dépouille. De part et d'autre de la gorge centrale 9, la face périphérique 7 présente deux gorges semi-circulaires 12 symétriques de section transversale semi-circulaire. Le raccordement de la gorge centrale 9, avec chacune des deux gorges semi-circulaires 12, est réalisé par deux arêtes d'étanchéité 14. Deux surfaces d'étanchéité 15 s'étendent depuis chacune des gorges semicirculaires 12 jusqu'aux extrémités latérales de la face périphérique 7. Deux surfaces chanfreinées 17 symétriques réalisent le raccordement de la face périphérique 7 et de chacune des faces latérales 6. Chacune des faces latérales 6 présente quatre rainures radiales 18, disposées à 90 les unes des autres, s'étendant sur la totalité de la hauteur de la élément annulaire d'étanchéité. Chacune des rainures 18 radiales présente une paroi de fond s'étendant obliquement depuis chacune des arêtes inférieures de l'élément annulaire d'étanchéité 3. L'élément annulaire extenseur 4 est réalisé dans un matériau élastomérique susceptible d'une certaine déformation lorsqu'il est soumis à une charge mécanique. L'élément annulaire extenseur présente une section transversale trapézoïdale, présentant deux faces latérales convergentes 21, une face périphérique 22 et une face intérieure 23. Le fonctionnement du joint est le suivant. La figure 2 montre le joint réalisant l'étanchéité d'un vérin comprenant un cylindre 25 dans lequel se déplace un piston 26 délimitant deux chambres 28, 29. Chacune de ces chambres 28, 29 contient un fluide 27 susceptible de transmettre une pression. Une gorge normalisée 30 est ménagée dans le piston 26. Cette gorge 30, délimitée par une surface de fond 31 et deux surfaces latérales 32, présente une section transversale rectangulaire de largeur légèrement supérieure à celle du joint. Le joint 2 est monté dans la gorge 30, de telle sorte que l'élément annulaire extenseur 4 repose contre la surface de fond 31 de la gorge 30, I'élément annulaire d'étanchéité 3 étant superposé radialement à la élément annulaire extenseur 4. La face périphérique 7 de l'élément annulaire d'étanchéité est alors en contact avec la surface du cylindre 25. L'étanchéité statique, c'est à dire lorsque le piston 26 est immobile par rapport au cylindre 25, entre les deux chambres est réalisée 28, 29 principalement par les surfaces d'étanchéification 15. L'étanchéité dynamique, c'est à dire lorsque le piston est mis en mouvement pour une différence de pression entre les fluides présents dans chacune des chambres 28, 29 est réalisée de la manière suivante. Comme le montre la figure 2, le fluide 27 présent dans la chambre 28 exerce une pression axiale sur la face latérale 6 de l'élément annulaire d'étanchéité et de la face latérale 21 de l'élément annulaire extenseur. Sous l'effet de la pression, I'élément annulaire extenseur 4 se déforme, et exerce une pression radiale surfacique sur l'élément annulaire d'étanchéité 3. Cette pression s'exerce selon une distribution uniforme, du fait de la forme trapézoïdale de l'élément annulaire extenseur 4. L'élément annulaire d'étanchéité 3 est donc plaquée contre la surface du cylindre 25 de manière sensiblement uniforme. Au niveau de l'interface entre la face périphérique 7 de I'élément annulaire d'étanchéité et la surface du cylindre 25, les arêtes d'étanchéification 14 et les surfaces d'étanchéification 15 créent chacun un pic de pression orthogonal à l'interface de contact. Ces pics de pression forment des barrières à la formation d'un film de fluide entre la surface périphérique 7 de l'élément annulaire d'étanchéité et la surface du cylindre 25. Lors de l'inversion du mouvement du piston, le fluide présent dans la chambre 29 exerce une pression sur le piston 26 et, donc, sur la face du joint 9 qui est en contact avec la face latérale de la gorge. Les rainures 18 permettent une répartition plus rapide du fluide contre la paroi latérale 21 de l'élément annulaire extenseur. Des tests ont démontré que ce joint présente une étanchéité supérieure à celle des joints connus et ce, pendant une durée de vie supérieure à celle des joints connus. L'invention fournit ainsi un joint les nombreux avantages indiqués plus haut en termes de performances et de durée de vie. Il va de soi que l'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation décrite ci-dessus à titre d'exemple mais qu'elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation. Ainsi, le joint pourrait comprendre deux éléments annulaires extenseurs disposés côte à côte si la longueur du joint le nécessite. REVENDICATIONS 1. Joint d'étanchéité (1) entre deux pièces mécaniques concentriques, une de ces pièces étant animée d'un mouvement alternatif rapport à l'autre pièce qui reste fixe, logé dans une gorge (30) annulaire ménagée dans la pièce en mouvement, comprenant: - au moins un élément annulaire d'étanchéité (3) dont la surface périphérique est en appui contre la surface de la seconde pièce, - au moins un élément annulaire extenseur (4) en matériau élastique de type élastomère qui exerce une pression radiale sur l'élément annulaire d'étanchéité, caractérisé en ce que: - l'élément annulaire d'étanchéité de section sensiblement rectangulaire, présente sur sa face périphérique (7) une gorge centrale (9) de section transversale triangulaire ayant un faible angle de dépouille encadré de deux gorges (12) de profile semi-circulaire, les jonctions de ces gorges définissant deux arêtes d'étanchéification (14) et deux surfaces d'étanchéification (15) s'étendant depuis chacune des gorges semi- circulaires (12) jusqu'aux deux extrémités latérales de sa face périphérique (7), et - I'élément annulaire extenseur (4) présente une section quadrangulaire. 2. Joint d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle de dépouille, entre chacune des surfaces formant la gorge centrale (9) et la face périphérique (7) de l'élément annulaire d'étanchéité, est compris entre 1 et 5 . 3. Joint d'étanchéité selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément annulaire d'étanchéité présente deux surfaces annulaires chanfreinées (17) qui raccordent sa face périphérique (7) à chacune de ses faces latérales (6). 4. Joint d'étanchéité selon l'une des revendication 1 à 3, caractérisé en ce que chacune des faces latérales (6) de l'élément annulaire d'étanchéité présente au moins une rainure radiale (18). 5. Joint d'étanchéité selon la revendication 4, caractérisé en ce que chacune des faces latérales (6) présente quatre rainures radiales (18) disposées à 45 les unes des autres. 6. Joint d'étanchéité selon la revendication 4 ou 5 caractérisé en ce que chacune des rainures radiales (18) présente une paroi de fond s'étendant obliquement depuis chacune des arêtes inférieures de l'élément annulaire d'étanchéité. 7. Joint d'étanchéité selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'élément annulaire extenseur (4) présente une section transversale trapézoïdale dont la plus petite de ses bases définit une surface venant en appui contre la surface inférieure de l'élément annulaire d'étanchéité.