Brevet FR2827658A1 — publié le 20030124

Domaine de l'invention La présente invention concerne de manière générale des joints à lèvre radiale et plus particulièrement des joints à lèvre radiale permettant d'absorber le fléchissement de l'axe tournant à grande vitesse et dans des conditions de couple élevé, en réalisant une étanchéité en fluide, dans des conditions de pression élevée. Art antérieur Les joints à lèvre sont généralement moulés en élastomère élastique ou en un polymère. Ils sont fixés de manière étanche à un boîtier et entourent un arbre qui traverse l'ouverture d'une paroi de boîtier ou de carter. La lèvre d'étanchéité est en contact d'étanchéité avec l'arbre pour retenir le liquide dans le boîtier. Les composants ou éléments d'un joint à lèvre se composent d'un boîtier rigide ou d'un organe de retenue qui augmente la rigidité et uniformise l'ensemble du joint. Cette situation facilite également l'installation, l'extraction et la tenue du joint dans le boîtier. Le corps élastique comprend un joint secondaire assurant l'étanchéité vis-àvis du boîtier et une ou plusieurs lèvres d'étanchéité élastiques maintenues en contact d'étanchéité avec l'arbre. Les joints à lèvre sont destinés à une très grande diversité d'applications avec des températures de fonctionnement et des conditions de pression variables, des vitesses d'arbre variables et des compositions de fluide à retenir qui nécessitent souvent une construction particulière. Toutefois, de manière caractéristique, le composant rigide ou organe de retenue est réalisé en matière plastique rigide telle qu'une résine phénolique ou encore en acier ou en acier inoxydable ; les lèvres élastiques sont formées par des élastomères ou des polymères tels que du caoutchouc moulé, du polytétrafluoréthylène ou autres matières connues de ce type. L'élément élastique peut être moulé en une seule pièce ou formé d'un ensemble d'éléments séparés montés de manière étanche. La nature des applications dans lesquelles on utilise des joints à lèvre expose les joints à des conditions liées aux mouvements relatifs de l'arbre par rapport au boîtier. La déviation ou déformation de l'arbre par rapport au boîtier et à l'alésage se traduit par un mouvement de wobbulation de l'arbre pendant sa rotation encore appelé mouvement de décentrement. Lorsque ce décentrement est important, il sollicite de manière très forte le joint à lèvre. Les applications spécifiques des joints à lèvre sont celles concernant la construction automobile et les applications industrielles. Dans certaines applications, les joints à lèvre sont soumis à des conditions de travail extrêmes telles que celles dans les compresseurs de conditionnement d'air, l'arbre étant de manière caractéristique entraîné par une courroie, une poulie, par un embrayage électrique ; certaines applications concernent également les pompes à huile dans lesquelles l'huile est en général sous une pression élevée de manière à permettre une circulation efficace de l'huile dans le moteur et à travers le filtre à huile. Les compresseurs ou les pompes à huile ont des conceptions se traduisant en général par un mouvement de battement ou de wobbulation de l'arbre, des déformations longitudinales et des défauts d'alignement de l'arbre par rapport à l'axe géométrique de l'orifice du boîtier. De manière idéale, les ensembles à joints à lèvre tiennent comptent des tolérances de réalisation des dispositifs utilisant de tels joints à lèvres pour réduire au minimum les coûts de fabrication. Des efforts pour réaliser un joint à lèvre permettant d'absorber le décentrement de l'arbre ou le défaut d'alignement consistent à utiliser des formes coniques développées, des lèvres multiple ou autres variantes ou modifications de l'élément élastique. Le document US 5 53 408 décrit une telle solution. Ce joint à lèvres comporte de multiple lèvres élastiques qui assurent un alignement auxiliaire des lèvres interposées entre l'arbre et le joint d'étanchéité, pour centrer le joint à lèvres. En cas de défaut d'alignement, la lèvre auxiliaire entre en contact avec le côté inférieur de la lèvre d'étanchéité principale et crée un déplacement de façon que la lèvre se déplace vers l'arbre, par rapport au centre du perçage du boîtier. Le déplacement de la lèvre auxiliaire commande le mouvement de poursuite de la lèvre d'étanchéité principale par rapport à l'arbre et maintient ainsi l'intégrité de l'étanchéité par rapport à l'arbre. Le joint à lèvre décrit dans le document rappelé ci-dessus est utilisé pour des applications à basse pression. Le document US 5 975 538 utilise un élément de support interne pour réaliser une étanchéité améliorée. Au cas où le fluide dont on veut réaliser l'étanchéité atteint des pressions élevées, le joint à lèvre subit une déformation sous l'effet des forces engendrées axialement par la pression. Cela se traduit par des poussées élevées agissant sur la zone radiale du joint à lèvre et pressent celui-ci contre le palier. Aux pressions élevées, la lèvre à étanchéité radiale est en outre soumise à des efforts de fléchissement de l'arbre, ce qui entraîne une perte d'effet d'étanchéité. Dans une certaine mesure les éléments de palier utilisés pour les conditions d'efforts et les exemples décrits ci-dessus maintiennent le joint à lèvre en position centrée ; la lèvre du joint se trouve également dans une orientation déterminée et en position entre le palier et le fluide à haute pression dont on veut assurer l'étanchéité. Toutefois, de par la nature de leur construction et de leur fonction, les paliers s'étendent à partir du joint à lèvre et constituent un support axial rigide pour l'élément de retenue par rapport à l'arbre. Dans la plupart des cas, le diamètre du palier est à niveau par rapport au diamètre intérieur de l'organe de retenue rigide de sorte que toute déviation d'arbre fait que la palier transmette cette déviation à l'organe de retenue et maintient une orientation relative prédéterminée entre le joint à lèvre et l'axe en rotation. Un effet d'amortissement du montage élastique entre le palier et l'organe de retenue absorbe la plus grande partie de la déflexion. Toutefois, dans le cas d'un montage élastique, l'appui de l'élément de palier et de l'organe de retenue élastique soumet le palier à des contraintes répétées en permanence, ce qui peut provoquer à long terme la détérioration et la destruction du palier. La présente invention se propose de développer des joints pour des applications destinées à des pressions élevées et à des montages non flexibles, se traduisant par une augmentation de la pression du liquide retenu. L'invention se propose également de réaliser un joint à lèvre permettant d'absorber des pressions élevées et permettant l'élimination de systèmes de drainage coûteux pour les pressions élevées. Objet de l'invention A cet effet, la présente invention concerne un joint à lèvre d'étanchéité défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comprend : un organe de retenue annulaire rigide comportant une partie de diamètre extérieure s'étendant axialement et une partie de diamètre intérieure ; et un corps de joint annulaire élastique fixé à l'organe de retenue, ce corps de joint comportant une lèvre d'étanchéité destinée à venir s'engager en contact étanche contre l'arbre, et une partie de corps de diamètre extérieur s'étendant axialement et destinée à venir en contact d'étanchéité contre le boîtier, la partie de corps de diamètre extérieure s'étendant axialement étant disposée au voisinage de la partie de diamètre extérieure s'étendant axialement de l'organe de retenue, la lèvre d'étanchéité étant formée pour recevoir une première force vectorielle, une seconde force vectorielle et une troisième force vectorielle pendant le fonctionnement, la première force vectorielle poussant la lèvre d'étanchéité vers le bas et vers la droite contre l'arbre, la seconde force vectorielle poussant la lèvre d'étanchéité vers le bas et vers la gauche contre l'arbre, et la troisième force vectorielle poussant la lèvre d'étanchéité vers le bas contre l'arbre. Ainsi, l'invention concerne un joint à lèvre unique comportant un organe de retenue rigide et un élément élastique fixé à celui-ci, avec au moins une lèvre dirigée radialement, de manière générale, pour venir en contact étanche avec l'arbre correspondant. L'organe de retenue constitue une surface de support radiale pour maintenir la lèvre d'étanchéité radiale en position intermédiaire entre la surface de support radiale et le milieu à haute pression dont on veut assurer l'étanchéité. L'élément de retenue a une forme et des dimensions et un diamètre intérieur permettant de maintenir une certaine séparation spatiale entre la partie de diamètre intérieure de l'organe de retenue et la partie d'extension de l'arbre pour l'élément de support, quelles que soient les conditions de fonctionnement comme par exemple le degré de fléchissement de l'arbre ou encore la pression du fluide à retenir. Le carter ou boîtier métallique rigide comporte un coin d'arête vive au niveau du diamètre intérieur en regard de l'extrémité ouverte et de l'élément élastique. Ce coin d'arête vive évite que la lèvre de l'élément élastique ne puisse se coincer entre le boîtier et l'arbre et fluer vers l'extérieur. Le boîtier rigide n'est pas totalement emprisonné par l'élément élastique. C'est pourquoi la surface arrière de l'organe de retenue rigide est en contact thermique direct avec le boîtier ou la plaque d'extrémité. Cela permet d'augmenter la conductivité thermique entre le joint et le boîtier et d'assurer la dissipation de la chaleur dégagée dans le système formé par le joint. Une autre partie de l'invention concerne la géométrie de la lèvre d'étanchéité dans la zone de flexion et au niveau de la tête, correspondant à l'équilibre des pressions. Cet équilibre des pressions correspond à une combinaison d'angles particuliers et de zones de surfaces ; il permet à la pression d'engendrer des vecteurs de force qui décalent dans une certaine manière les efforts susceptibles de soulever la lèvre par rapport à l'arbre en rotation. Une combinaison de formes géométriques particulière permet la création d'une nouvelle classe de forces vectorielles dans la zone de la lèvre d'étanchéité. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe d'un joint installé selon l'invention, - la figure 2 est une vue de face montrant le joint selon l'invention en position non montée dans le boîtier, - la figure 3 est une vue en coupe de côté du joint de la figure 2, cette coupe étant faite sensiblement le long de la ligne 3-3, - la figure 4 est une vue agrandie de la figure 3 suivant la ligne 4, - la figure 5 est une vue agrandie de la figure 4. Dans les différents dessins, les références désignent les mêmes pièces. Description détaillée des modes de réalisation de l'invention Selon les figures 1 à 3, on a un joint à lèvre portant globalement la référence 10 explicitant les principes de la présente invention. Le joint à lèvre 10 est formé de plusieurs éléments comme représenté à la figure 1. Le joint à lèvre selon la figure 1 est développé à l'état assemblé et monté. La figure 1 montre le joint à lèvre 10 installé dans le cas d'une application hydraulique telle qu'un moteur ou une pompe à huile ; il entoure un arbre 12 traversant une ouverture du boîtier de pompe 14. L'invention plus particulièrement à des applications hydrauliques à haute pression et à haute vitesse. L'orifice est défini par une paroi cylindrique 16 entourant l'arbre 12 en laissant un intervalle. Le boîtier de pompe 14 est représenté en partie en coupe à la figure 2 ; l'arbre 12 traverse l'ouverture. Le joint à lèvre 10 assure l'étanchéité de l'ouverture pour réduire au minimum les fuites du boîtier de la pompe même lorsque l'huile est à une pression élevée générée par le rotor (non représenté) porté par l'arbre 12. Il est clair que les joints représentés à la figure 1 sont des joints annulaires concentriques à l'arbre 12. Les éléments représentés dans les dessins sont montrés en vue en coupe partielle pour des raisons de simplification. Les parties du joint à lèvre 10 et du boîtier 14 qui se trouvent en dessous de l'arbre ne sont pas représentées. Ces parties sont identiques à celles audessus de l'arbre ou de l'axe géométrique. Le boîtier 14 forme une chambre interne 18 entourant l'arbre 12. Cette chambre est remplie d'un agent lubrifiant tel que de l'huile. Lorsque l'arbre tourne avec le rotor porté par cet arbre (le rotor n'est pas représenté), une pression est générée dans la chambre 18. Les composants de la pompe à huile, tels que le rotor non représenté, sont placés dans le boîtier ou carter 14 et créent la pression dans l'huile. Cette huile est alors pompée dans le système de graissage du système hydraulique ou autres applications nécessitant une pompe hydraulique ou un moteur pour des applications à faible vitesse et à haute pression. Le joint à lèvre 10 entoure de manière annulaire et axialement, le boîtier décalé 14 et la surface de la paroi cylindrique 16 de l'ouverture. Le joint à lèvre 10 assure l'étanchéité au niveau de l'ouverture et crée une relation d'étanchéité entre la surface de l'arbre 12 et la surface radiale 15 du boîtier 14. Le joint 10 sépare la chambre 18 par rapport à l'environnement extérieur au boîtier 14. Le joint à lèvre 10 est maintenu en place par une plaque d'extrémité classique. La plaque d'extrémité est de manière générale une plaque d'extrémité 20, annulaire, démontable. Les détails du joint à lèvre 10 en position installée sont donnés à la figure 1. Le joint à lèvre 10 comporte un corps élastique annulaire 30 fixé à un organe de retenue 32, rigide. Le corps du joint élastique 30 peut être formé en une matière élastomère telle qu'un caoutchouc dur ; l'organe de retenue rigide 32 peut être réalisé en un métal comme par exemple de l'acier. L'organe de retenue 32 a une structure annulaire comportant un collier radial 34 au niveau de son diamètre extérieur et une bride 36 s'étendant radialement. Cette bride courte s'étend suivant le diamètre intérieur. Une partie de liaison courbe 38 s'étend radialement de l'intérieur à partir du collier 34 et relie ce collier 34 à la bride 36. En coupe transversale, l'organe de retenue rigide 32 présente une forme de L ou encore une forme de W, élargi comme le montrent les figures 1,4, 5. Le corps de joint élastique 30 est constitué par un élément en polymère ou en élastomère en une seule pièce, comme cela est représenté. Il se fabrique par moulage ou injection. De manière caractéristique, la réalisation du corps 30 du joint élastique et sa fixation à l'organe de retenue rigide 32 se font simultanément pendant l'opération de moulage. Le corps 30 du joint élastique présente une partie annulaire 42 fixée à la surface de diamètre extérieure du collier annulaire 34 s'étendant axialement. La partie annulaire 42 comporte une section d'extension périphérique 44 formée au coin du corps 30 du joint élastique, sur la surface extérieure de celui-ci et peut être aplatie à chaque extrémité pour assurer une meilleure collaboration lorsque le dispositif est installé. L'installation du joint est représentée à la figure 1. A ce moment l'extension 44 rencontre de manière étanche la paroi cylindre annulaire 23 du boîtier 14. Pour assurer l'étanchéité au liquide, entre la paroi de diamètre extérieure du corps 30 du joint élastique et le diamètre intérieur de la paroi cylindrique annulaire 23, le diamètre extérieur de l'extension 44 est légèrement plus grand que le diamètre intérieur de la paroi cylindrique annulaire 23. On aura au montage un certain degré de compression de l'extension 44 et de la partie annulaire 42 facilitant la création d'un joint étanche au liquide. En se reportant de nouveau à la figure 1, on voit qu'une couche mince de matière élastique qui constitue une partie de couverture centrale 48 s'étend radialement vers l'intérieur à partir de la partie annulaire 42 et se trouve sur la section intérieure courbe de la partie de liaison 38. De manière préférentielle, la partie centrale de recouvrement 48 est moulée sur la partie de connexion 38 de façon que la matière élastomère entoure et isole l'organe de retenue rigide 32 vis-à-vis du liquide sous pression contenu dans la chambre interne 18. Cela facilite la lutte contre la corrosion de l'organe de retenue rigide 32. Le côté opposé (côté extérieur) est en contact thermique avec la plaque d'extrémité annulaire 20 et de préférence le boîtier 14. Partant radialement vers l'intérieur de la partie de recouvrement centrale 48 on a une lèvre d'étanchéité 50. La lèvre d'étanchéité 50 fait corps avec la partie de recouvrement centrale 48. Cette lèvre est moulée sur la courte bride axiale 36 de l'organe de retenue 32. La lèvre d'étanchéité 50 se compose d'un corps principal et d'un point de contact 52 assurant le contact d'étanchéité avec la surface de l'arbre 12. A l'état non installé, la lèvre d'étanchéité 50 fait un angle dans la direction radiale intérieure par rapport à l'axe géométrique CL et s'écarte axialement du corps du joint 10 dans la direction dans laquelle se trouve le liquide hydraulique sous pression, comme cela est représenté à la figure 4 ; l'angle est de préférence de 5510. Une projection 60 s'étend radialement et axialement par rapport au corps 30 du joint élastique. Cette projection s'étend axialement à partir de l'extrémité du collier 34 de l'organe de retenue rigide 32 sur une distance prédéterminée. La projection 60 maintient l'espacement axial voulu de la lèvre d'étanchéité 10 par rapport à une paroi s'étendant radialement 27 et la surface radiale 15 de la plaque d'extrémité annulaire 20 et du boîtier 14. La projection 60 peut avoir un chanfrein 62 comme celui représenté pour faciliter le montage du joint à lèvre 10 dans la plaque d'extrémité annulaire 2. Le corps 30 du joint élastique est placé entre la plaque d'extrémité annulaire 20, la paroi cylindrique annulaire 23 et une surface radiale 15 définissant le joint à lèvre 1. Le diamètre extérieur de la partie annulaire 42 assure l'étanchéité par rapport à la paroi cylindrique annulaire 23 et la lèvre d'étanchéité 50 assure l'étanchéité avec l'arbre 12. L'espacement S entre la bride 36 et l'axe 12 est critique pour l'organe de retenue rigide 32 pour fonctionner comme un unique anneau d'appui du joint à lèvre 1. La bride 36 a une hauteur (d) telle que celle de la figure 1. L'espacement S de l'arbre 12 doit représenter entre 0,0 et 10 % de la longueur (d) pour le fonctionnement le plus efficace. Un coin non chanfreiné facilite également l'extrusion. Entre quatre et huit millième de pouce sont une dimension préférentielle pour l'espace S. Le corps de joint d'étanchéité élastique 30 est moulé et collé à l'élément de retenue rigide 32. Le corps de joint élastique 30 et l'organe de retenue rigide 32 forment ensemble une monture fixée radialement pour la lèvre d'étanchéité 50, qui permet de déplacer angulairement sa position pour s'adapter à un fléchissement de l'arbre, tout en maintenant en même temps l'étanchéité contre la surface de l'arbre 12. Dans la position installée de l'ensemble d'étanchéité 10 (figures 2 et 3), le point de contact 52 qui s'étend circonférentiellement autour de l'arbre 12 vient en contact avec la surface de cet arbre 12. De la même manière, la section de prolongement 44 de la partie annulaire 42 vient en contact avec la paroi cylindrique annulaire 23 et éventuellement avec la surface radiale 15 du boîtier 14, pour former un joint étanche au fluide contre le boîtier 14. Une découpe ou évidement annulaire 54 est formé dans le corps de joint élastique 30 pour permettre une flexion ou une courbure contrôlées de la lèvre d'étanchéité 50 lorsque la sortie de l'arbre produit un mouvement radial ou un fléchissement de l'arbre au moment de la rotation. Les parois 56,58 formant la découpe sont positionnées, dimensionnées et orientées pour faire pivoter la lèvre d'étanchéité 50 autour d'une circonférence annulaire qui est approximativement disposée autour d'une collerette 36. Comme indiqué dans la figure 5, des surfaces indiquées plus particulièrement par les références 1, 2 et 3 créent les forces vectorielles indiquées dans la figure 1 et représentées par les flèches X, Y, Z. Pendant le fonctionnement, la pression agissant sur les surfaces produit les forces vectorielles X qui poussent la lèvre d'étanchéité 50 vers le bas contre l'arbre 30. Ces forces vectorielles poussent également le joint d'étanchéité vers la droite de la figure 1. Les forces de pression Y créées pendant le fonctionnement poussent le joint d'étanchéité vers le bas contre l'arbre 12, et poussent en outre la lèvre d'étanchéité 50 vers la gauche, comme représenté dans la figure 1. Les forces vectorielles Z créées pendant le fonctionnement du joint poussent le joint vers le haut en l'écartant de l'arbre 12 et en l'entraînant vers la gauche du joint de la figure 1. La réaction de surfaces particulières ainsi que l'orientation de l'angle A d'environ 90 20 , produit les nouvelles forces vectorielles X comme représenté dans la figure 1. On préfère un angle A de 90 10 . L'angle B est de préférence d'environ 120 10 . La forme de l'organe de retenue rigide 32 et sa disposition pratiquement contre l'arbre 12, fournit une base rigide, de sorte que la lèvre d'étanchéité 50 doit fournir une étanchéité efficace sans défaillances pendant de longues périodes de temps. REVENDICATIONS 1 ) Joint destiné à être d'étanchéité pour une ouverture (16) formée dans une paroi de boîtier et un arbre rotatif (12) passant à travers l'ouverture, de manière à contenir un fluide à l'intérieur du boîtier (14), caractérisé en ce qu' il comprend : un organe de retenue (32) annulaire, rigide, comportant une partie de diamètre extérieure (34) s'étendant axialement et une partie de diamètre intérieure (36) ; et un corps (30) de joint annulaire élastique fixé à l'organe de retenue (32), ce corps (30) comportant une lèvre d'étanchéité (50) destinée à venir en contact étanche contre l'arbre (12), et une partie de corps (44) de diamètre extérieur, axiale, destinée à venir en contact d'étanchéité avec le boîtier (14), la partie (44) étant au voisinage de la partie annulaire (42) de l'organe de retenue (32), la lèvre d'étanchéité (50) étant formée pour recevoir une première, une seconde et une troisième force vectorielle (X, Y, Z) pendant le fonctionnement, la première force vectorielle (X) poussant la lèvre d'étanchéité (50) vers le bas et vers la droite contre l'arbre (12), la seconde force vectorielle (Y) poussant la lèvre d'étanchéité (50) vers le bas et vers la gauche contre l'arbre (12), et la troisième force vectorielle (Z) poussant la lèvre d'étanchéité (50) vers le haut. 2 ) Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de retenue (32) est en forme de L. 3 ) Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que la lèvre d'étanchéité (50) forme un angle A de 90 10 . 4 ) Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que la lèvre d'étanchéité (50) forme un angle B de 120 10 . 5 ) Joint d'étanchéité pour une ouverture (16) formée dans une paroi de boîtier (14) et un arbre rotatif (12) passant à travers l'ouverture, de manière à contenir un fluide à l'intérieur du boîtier selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comprend : un organe de retenue (32), annulaire, rigide comportant une partie de diamètre extérieur axiale (34) et une partie de diamètre intérieur (36), avec une surface arrière venant en contact direct avec le boîtier (14) ; et un corps (30) de joint annulaire élastique fixé à l'organe de retenue (32), le corps (30) comportant une lèvre d'étanchéité (50) destinée à venir en contact d'étanchéité avec l'arbre (12), et une partie de corps (42) de diamètre extérieur, axiale, en contact d'étanchéité contre le boîtier (14), cette partie de corps (42) étant au voisinage de la partie de diamètre extérieur (34) de l'organe de retenue (32).