Brevet FR2926345A1 — publié le 20090717

DEMANDE DE BREVET B07-4697FR - JT/PG Société de droit suédois dite : Aktiebolaget SKF Joint d'étanchéité et palier à roulement comportant un tel joint. Invention de : 2 Joint d'étanchéité et palier à roulement comportant un tel joint. La présente invention concerne le domaine des joints d'étanchéité, et en particulier les joints d'étanchéité utilisés dans les paliers à roulement. Pour des raisons d'économie d'énergie consommée, on cherche à réduire de plus en plus les pertes provoquées par frottement dans les machines. Par exemple, dans un palier à roulement, l'étanchéité est assurée par un ou plusieurs joints permettant de maintenir le lubrifiant, tel que de la graisse, à l'intérieur du roulement et d'empêcher la pénétration d'éléments polluants à l'intérieur de celui-ci. Généralement, les joints d'étanchéité sont fixés sur une des bagues du roulement et coopèrent par contact frottant avec l'autre bague pour assurer l'étanchéité. Les joints venant frotter contre une des bagues du roulement avec une pression de contact importante sont particulièrement efficaces en ce qui concerne l'étanchéité mais susceptibles de consommer une énergie relativement élevée. En outre, de tels frottements sont générateurs de chaleur et peuvent provoquer une élévation de température nuisible pour le roulement, ou plus généralement pour la machine associée. Un tel joint d'étanchéité à contact frottant permanent est décrit dans le brevet US 4, 844, 485. Au contraire, avec un joint d'étanchéité dont la lèvre ne frotte pas ou peu avec la portée associée de l'élément tournant de la machine, l'étanchéité obtenue peut s'avérer insuffisante dans certaines conditions de fonctionnement. La présente invention a donc pour but de remédier à ces inconvénients. 3 Plus particulièrement, la présente invention vise à prévoir un joint d'étanchéité permettant de garantir une étanchéité efficace tout en limitant autant que possible les dissipations d'énergie. La présente invention a également pour but de prévoir un joint d'étanchéité particulièrement facile à fabriquer. La présente invention a enfin pour but de prévoir un joint d'étanchéité adapté à un palier à roulement. La présente invention concerne un joint d'étanchéité destiné à être monté entre deux éléments pouvant tourner l'un par rapport à l'autre, notamment des bagues d'un palier à roulement, le joint d'étanchéité comportant des portions d'étanchéité respectivement aptes à exercer une étanchéité dynamique avec l'un des deux éléments et une étanchéité statique avec l'autre élément. La portion d'étanchéité dynamique comporte au moins des première et seconde lèvres délimitant une chambre annulaire apte à être emplie de lubrifiant. Le joint d'étanchéité est configuré pour permettre, lors du contact d'un fluide avec au moins la portion d'étanchéité dynamique, un déplacement d'une des lèvres, au moins dans le sens radial, en direction de l'élément associé pour obtenir un contact avec ledit élément. On entend ici par � étanchéité statique �, l'étanchéité réalisée entre deux pièces sans mouvement relatif, et par � étanchéité dynamique �, une étanchéité entre deux pièces ayant un mouvement relatif. Avantageusement, la portion d'étanchéité dynamique comporte un matériau expansible lors du contact avec le fluide. Ainsi, la portion d'étanchéité dynamique permet, lors du contact avec le fluide, une variation de volume et une déformation locale d'au moins une des lèvres pour obtenir le déplacement 4 relativement à l'autre lèvre. On obtient donc un déplacement d'une des lèvres relativement à l'autre lèvre sous l'action du fluide, même si ledit contact est ponctuel et/ou la pression de contact est relativement faible. Dans un mode de réalisation, la portion d'étanchéité dynamique est constituée par le matériau expansible lors du contact avec le fluide. Alternativement, la portion d'étanchéité dynamique comporte un revêtement comprenant le matériau expansible. Dans un mode de réalisation, la portion d'étanchéité dynamique comporte une portion annulaire présentant en section droite une forme générale courbe, le rayon de courbure de la portion annulaire augmentant lors du contact avec le fluide. De préférence, la portion annulaire délimite une concavité apte à former déflecteur de flux pour réduire d'éventuelles entrées de liquide vers la chambre annulaire. Les première et seconde lèvres peuvent être issues de la portion annulaire. Dans un mode de réalisation, les première et seconde lèvres comportent un revêtement oléophobe. De préférence, la première lèvre comporte des moyens aptes à favoriser l'écoulement du lubrifiant en direction de la chambre annulaire. Le joint d'étanchéité peut comporter une armature de rigidification. Bien entendu, en variante, il est possible de prévoir un joint dépourvu d'une telle armature. L'invention concerne également un palier à roulement comprenant deux bagues pouvant tourner l'une par rapport à l'autre, des éléments roulants disposés entre les bagues, et au moins un joint d'étanchéité fixé sur l'une des bagues et pourvu de portions d'étanchéité coopérant respectivement avec l'une des bagues et l'autre bague pour assurer une étanchéité dynamique et une étanchéité statique. La portion d'étanchéité dynamique comporte au moins deux 5 lèvres interne et externe délimitant une chambre annulaire apte à être emplie de lubrifiant. Le joint d'étanchéité est configuré pour permettre, lors du contact d'un fluide avec au moins la portion d'étanchéité dynamique, axialement du côté de la lèvre externe, un déplacement de ladite lèvre externe, au moins dans le sens radial, en direction de la bague associée pour obtenir un contact avec ladite bague. On entend ici par � lèvre interne �, la lèvre située axialement du côté des éléments roulants, et par � lèvre externe �, la lèvre orientée vers l'extérieur du roulement. En fonctionnement normal, l'étanchéité dynamique est assurée d'une part par les passages étroits entre les lèvres interne et externe du joint et la portée correspondante de la bague associée en regard, et d'autre part par le lubrifiant contenu dans la chambre annulaire délimitée par les lèvres et ladite portée qui forme un bourrelet étanche. Dans ce mode de fonctionnement, les frottements sont extrêmement réduits. Lorsque le joint est soumis à des projections de fluide, par exemple de l'eau, le contact du fluide sur la portion d'étanchéité dynamique, et notamment sur la lèvre externe, provoque une déformation locale de ladite lèvre radialement en direction de la portée de la bague associée jusqu'à venir en contact contre celle-ci. L'étanchéité est ainsi renforcée tant que le joint est soumis à ces projections. Lorsque les projections cessent, la lèvre externe reprend progressivement sa forme initiale et le frottement diminue. 6 Ainsi, on peut réduire considérablement les pertes d'énergie en adaptant le frottement de la zone d'étanchéité entre la lèvre externe et la portée correspondante du roulement. En d'autres termes, la lèvre externe passe d'une position neutre dans laquelle une étanchéité avec la portée correspondante de la bague associée est réalisée par passage étroit, à une position déformée dans laquelle il existe un contact frottant entre ladite lèvre et la portée de la bague tant que ladite lèvre est soumise à des projections de fluide. Dans la position neutre et la position déformée de la lèvre externe, la lèvre interne reste située à distance de la portée de la bague associée. La présente invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée de modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une demi-vue en coupe axiale d'un roulement selon un premier mode de réalisation de l'invention, - les figures 2 et 3 sont des vues de détail du roulement de la figure 1, - la figure 4 est une demi-vue en coupe axiale d'un roulement selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, et - la figure 5 est une demi-vue en coupe axiale selon un troisième mode de réalisation de l'invention. Sur la figure 1, un roulement 10, d'axe 12, comprend une bague extérieure 14, une bague intérieure 16, et une pluralité d'éléments roulants 18, ici des billes, interposés entre les bagues 14 et 16. Sur chacun des côtés opposés du roulement 10 est prévu un joint d'étanchéité 20, 22 annulaire pour fermer l'espace radial existant entre les bagues 14, 16. Les joints d'étanchéité 20, 22 sont identiques entre eux et symétriques par rapport à un plan médian radial du roulement 10, passant par le centre des éléments roulants 18. 7 La bague extérieure 14 comprend une surface extérieure axiale 14a, un alésage 14b, ici étagé, deux surfaces frontales radiales 14c et 14d, et un chemin de roulement 14e à gorge profonde formé sensiblement au milieu de l'alésage 14b et en contact avec les éléments roulants 18. La bague extérieure 14 comprend également deux rainures 24, 26 formées radialement vers l'extérieur à partir de l'alésage 14b, respectivement au voisinage des surfaces frontales 14c et 14d. Les rainures 24 et 26 sont symétriques par rapport au plan médian du roulement passant par le centre des éléments roulants 18. De façon similaire, la bague intérieure 16 comporte un alésage 16a, une surface extérieure 16b, deux surfaces frontales radiales 16c et 16d, et un chemin de roulement 16e à gorge profonde formé sensiblement au milieu de la surface axiale extérieure 16b et en contact avec les éléments roulants 18. La surface frontale 14c, 14d est respectivement située dans un plan radial contenant la surface frontale 16c, 16d. Les éléments roulants 18 sont maintenus avec un espacement circonférentiel régulier par l'intermédiaire d'une cage 27. Les bagues extérieure 14 et intérieure 16 sont de type massives. On entend, par bague de type massive, une bague dont la forme est obtenue par usinage avec enlèvement de copeaux (tournage, rectification) à partir de tubes, de barres, d'ébauches forgées et/ou roulées. Comme illustré plus visiblement sur la figure 2, le joint d'étanchéité 20 comporte un insert ou armature 28 en forme de disque annulaire relativement rigide, sur laquelle est surmoulée ou vulcanisée une garniture 30, telle que du caoutchouc nitrile ou un autre élastomère. La garniture 30 forme deux portions d'étanchéité 32 et 34 périphériques opposées exerçant respectivement une étanchéité 8 statique avec la bague extérieure 14 et une étanchéité dynamique avec la bague intérieure 16. La portion d'étanchéité 32 externe est insérée à force dans la rainure annulaire 24 de la bague extérieure 14 pour fixer le joint d'étanchéité à ladite bague. Au niveau de la rainure 24, la portion d'étanchéité 32 est ainsi en complémentarité de forme avec ladite rainure pour former un moyen de fixation du joint d'étanchéité 20 sur la bague extérieure 14. La portion d'étanchéité 32 entoure radialement et axialement le bord libre de grand diamètre de l'armature 28 de manière que seule la garniture 30 soit en contact avec la bague extérieure 14. On favorise ainsi un bon maintien en position du joint d'étanchéité 20 à l'intérieur de la rainure 24 par montage à force et par friction. La portion d'étanchéité 34 interne comporte une partie annulaire 36 qui présente, en section droite, une forme générale courbe en forme de V orienté axialement vers l'extérieur. A partir de la partie annulaire 36 sont issues une lèvre 38 interne située axialement du côté des éléments roulants 18 et une lèvre 40 externe s'étendant vers l'extérieur. La partie annulaire 36 est composée d'une première portion oblique 36a s'étendant radialement vers l'intérieur du roulement 10 en direction des éléments roulants 18 et prolongée à un bord de petit diamètre vers l'intérieur par une portion sensiblement radiale 36b, elle-même prolongée par une seconde portion oblique 36c s'étendant radialement vers l'intérieur et axialement en sens opposé à la première portion oblique, i.e. du côté opposé aux éléments roulants 18. On obtient ainsi la forme en V. En d'autres termes, la première portion oblique 36a, la portion radiale 36b, la seconde portion oblique 36c et la lèvre 40 forment une concavité orientée vers l'extérieur du 9 roulement constituant déflecteur de flux pour réduire d'éventuelles entrées de liquide vers la chambre 46, et plus généralement vers l'intérieur du roulement. La partie annulaire 36, et plus précisément la portion oblique 36a, s'étend à proximité du bord libre de petit diamètre de l'armature 28 de renfort, en étant décalée radialement vers l'intérieur. La lèvre 38 interne annulaire prolonge radialement vers l'intérieur la partie annulaire 36, et plus précisément la seconde portion oblique 36c, en direction de la surface extérieure cylindrique axiale 16b de la bague intérieure 16 pour former un passage étroit 42 avec ladite surface. La lèvre 40 externe annulaire s'étend quant à elle axialement vers l'extérieur à partir de l'extrémité libre de petit diamètre de la partie annulaire 36, et plus précisément de la seconde portion oblique 36c, en formant un passage étroit 44 avec la surface extérieure 16b axiale de la bague 16. Le diamètre des lèvres interne 38 et externe 40 est sensiblement égal. Elles délimitent axialement avec la seconde portion oblique 36c une chambre 46 annulaire pouvant avantageusement être emplie de lubrifiant, tel que de la graisse. La chambre 46 est délimitée radialement par lesdites lèvres, par la seconde portion oblique 36c et par la partie de la surface extérieure 16b axiale radialement en regard. La portion d'étanchéité 34 comporte également un revêtement 48 recouvrant une surface externe 37 de la partie annulaire 36 et de la lèvre 40 externe axiale. Le revêtement 48 est avantageusement constitué par une matière expansible sous l'action de l'eau qui provoque un gonflement volumétrique de ladite matière expansible, par exemple un caoutchouc synthétique additionné d'un composant hydrophile tel qu'un alcool polyvinyle ou un oxyde de polyéthylène. 10 Pour plus de détail sur un tel revêtement, on pourra par exemple se référer au document JP-A-60192167 et GB-A-2 273 537. En fonctionnement, la lèvre 38 radiale interne et la lèvre 40 axiale externe du joint d'étanchéité 20 forment, avec la bague intérieure 16, des étanchéités par passages étroits 42, 44. L'étanchéité globale de la portion d'étanchéité 34 dynamique est également accrue par le lubrifiant présent dans la chambre 46 en forme de V renversé qui forme un bourrelet étanche. Dans cet état de fonctionnement, les frottements au niveau de la portion d'étanchéité 34 dynamique du joint d'étanchéité 20 sont extrêmement faibles. Bien entendu, en variante, il pourrait être possible de prévoir un léger contact entre la bague intérieure et au moins des bagues 38, 40. Pour favoriser la formation et le maintien de ce bourrelet de lubrifiant au niveau de la chambre 46, les surfaces internes des lèvres 38, 40 peuvent avantageusement être revêtues d'un matériau oléophobe afin que la graisse ne s'accumule pas par adhérence au niveau de ces surfaces mais au contraire puisse glisser en direction de la chambre 46. Si le roulement 10 est soumis à des projections de fluide, et notamment d'eau, le contact de l'eau sur le revêtement 48 réactif provoque l'augmentation de volume dudit revêtement. On obtient alors une augmentation du rayon de courbure de la portion annulaire 36 et notamment une déformation locale au niveau de la lèvre 40 qui se déplace axialement et radialement vers l'intérieur du roulement 10 jusqu'à venir en contact contre la surface extérieure 16b de la bague intérieure 16, comme cela est illustré à la figure 3. Simultanément, l'augmentation du rayon de courbure de la portion annulaire 36 provoque un écartement de la lèvre interne 38 radialement vers l'extérieur par rapport à la surface extérieure 16b. En d'autres termes, 11 la lèvre 40 se déplace par rapport à la lèvre 38 et par rapport à la surface extérieure cylindrique 16b. En d'autre termes, lorsque le joint d'étanchéité 20 est soumis à des projections d'eau, la dimension radiale du passage étroit 42 augmente, la lèvre 40 venant quant à elle frotter directement contre la surface axiale 16b extérieure de la bague 16. L'étanchéité est ainsi renforcée au niveau de la lèvre 40 externe afin de limiter les éventuelles infiltrations à l'intérieur du roulement 10. Une fois que les projections d'eau cessent, la lèvre 40 et plus généralement la portion d'étanchéité 34 reprend progressivement sa forme initiale sous l'effet de la diminution du volume du revêtement 48 de manière à obtenir de nouveau un passage étroit 44 entre ladite lèvre et la bague intérieurel6. Bien entendu, on conçoit que le joint d'étanchéité 22 est similaire au joint d'étanchéité 20 en ce qui concerne sa structure et son fonctionnement. Dans l'exemple de réalisation considéré, le revêtement 48 est expansible lorsqu'il est en contact avec l'eau. Bien entendu, il est possible d'adapter la nature de la matière utilisée pour le revêtement 48 en fonction du type de fluide pour lequel on souhaite obtenir une augmentation du rayon de courbure de la portion annulaire 36 et une déformation de la lèvre 40 jusqu'au contact avec la bague intérieure 16. Dans ce mode de réalisation, la portion d'étanchéité 34 comporte le revêtement 48 qui est distinct de la garniture 30. Toutefois, en variante l'ensemble de la garniture 30 pourrait être réalisé dans une matière expansible sous l'action de l'eau ou d'un autre fluide, la déformation de la lèvre 40 externe étant obtenue grâce au fait qu'un seul côté du joint d'étanchéité 20 est soumis aux projections et que, de ce fait, la garniture 30 ne se dilate que du côté 12 externe du joint d'étanchéité 20 provoquant l'augmentation du rayon de courbure de la portion annulaire 36 à partir de laquelle est issue la lèvre 40. Dans la variante de réalisation illustrée à la figure 4 sur laquelle les éléments identiques portent les mêmes références, le joint d'étanchéité 20 comporte, au niveau de la lèvre 38 interne, des trous ou encoches 50 destinées à faciliter le passage de la graisse présente à l'intérieur du roulement 10 vers la chambre 46. Les encoches 50 peuvent être espacées les unes par rapport aux autres de manière régulière dans le sens circonférentiel de façon à obtenir un remplissage uniforme de la chambre 46. Bien entendu, le joint d'étanchéité 22 comporte des encoches similaires (non référencées). En variante, il pourrait également être possible de prévoir de remplir ladite chambre avant la mise en place du joint 20. La variante de réalisation illustrée à la figure 5 sur laquelle les éléments identiques portent les mêmes références diffère du mode de réalisation précédemment décrit en ce que les portions d'étanchéité 32, 34 sont formées respectivement sur les bords périphériques interne, externe du joint d'étanchéité 20. Les modes de réalisation précédemment décrits peuvent bien entendu être utilisés indifféremment avec une des bagues tournantes tandis que l'autre est fixe ou également tournante. Grâce à l'invention, on réduit considérablement les pertes d'énergie par frottement en adaptant le type de contact existant entre la lèvre externe et la portée de la bague correspondante selon les conditions de fonctionnement du roulement. On limite ainsi les périodes pendant lesquelles la lèvre externe est en contact avec la portée de ladite bague de manière à limiter l'usure du joint. 13 Dans les exemples de réalisation précédemment décrits, les joints d'étanchéité sont utilisés dans des paliers à roulement. Toutefois, on conçoit aisément qu'il est également possible, sans sortir du cadre de l'invention, d'utiliser de tels joints dans d'autres applications en les montant entre deux éléments pouvant tourner relativement l'un par rapport à l'autre. REVENDICATIONS 1-Joint d'étanchéité destiné à être monté entre deux éléments (14, 16) pouvant tourner l'un par rapport à l'autre, notamment des bagues d'un palier à roulement, le joint d'étanchéité comportant des portions d'étanchéité (32, 34) respectivement aptes à exercer une étanchéité dynamique avec l'un des deux éléments (16) et une étanchéité statique avec l'autre élément (14), caractérisé en ce que la portion d'étanchéité (34) dynamique comporte au moins des première et seconde lèvres (38, 40) délimitant une chambre (46) annulaire apte à être emplie de lubrifiant, le joint d'étanchéité étant configuré pour permettre, lors du contact d'un fluide avec au moins la portion d'étanchéité (34) dynamique, un déplacement d'une des lèvres, au moins dans le sens radial, en direction de l'élément (16) associé pour obtenir un contact avec ledit élément. 2-Joint d'étanchéité selon la revendication 1, dans lequel la portion d'étanchéité (34) dynamique comporte un matériau expansible lors du contact avec le fluide. 3-Joint d'étanchéité selon la revendication 2, dans lequel la portion d'étanchéité (34) dynamique est constituée par le matériau expansible. 4-Joint d'étanchéité selon la revendication 2, dans lequel la portion d'étanchéité (34) dynamique comporte un revêtement (48) comprenant le matériau expansible. 5-Joint d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la portion d'étanchéité (34) dynamique comporte une portion annulaire (36) présentant en section droite une forme générale courbe, le rayon de courbure de la portion annulaire augmentant lors du contact avec le fluide. 15 6-Joint d'étanchéité selon la revendication 5, dans lequel la portion annulaire (36) délimite une concavité apte à former déflecteur de flux pour réduire d'éventuelles entrées de liquide vers la chambre (46) annulaire. 7-Joint d'étanchéité selon la revendication 5 ou 6, dans lequel les première et seconde lèvres (38, 40) sont issues de la portion annulaire (36). 8-Joint d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les première et seconde lèvres (38, 40) comportent un revêtement oléophobe. 9-Joint d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la première lèvre (38) comporte des moyens (50) aptes à favoriser l'écoulement du lubrifiant en direction de la chambre (42) annulaire. 10-Joint d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une armature de rigidification (28). 11-Palier à roulement comprenant deux bagues (14, 16) pouvant tourner l'une par rapport à l'autre, des éléments roulants (18) disposés entre les bagues, et au moins un joint d'étanchéité (20) fixé sur l'une des bagues et pourvu de portions d'étanchéité (32, 34) coopérant respectivement avec l'une des bagues (16) et l'autre bague (14) pour assurer une étanchéité dynamique et une étanchéité statique, caractérisé en ce que la portion d'étanchéité (34) dynamique comporte au moins deux lèvres interne (38) et externe (40) délimitant une chambre (46) annulaire apte à être emplie de lubrifiant, le joint d'étanchéité (20) étant configuré pour permettre, lors du contact d'un fluide avec au moins la portion d'étanchéité (34) dynamique axialement du côté de la lèvre externe (40), un déplacement de ladite16 lèvre externe, au moins dans le sens radial, en direction de la bague (16) associée pour obtenir un contact avec ladite bague.