Brevet FR3047533A1 — publié le 20170811

DESCRIPTION La présente invention concerne le domaine des équipements pour installations, machines, véhicules ou analogues comprenant une pièce rotative ou tournante, tel qu'un arbre ou un axe, qu'il y a lieu d'étanchéifier au niveau d'un orifice, d'un passage, d'un palier ou analogue. Plus précisément, la présente invention a pour objet un dispositif d'étanchéité amélioré, en particulier en regard d'une contamination par des agents extérieurs. Dans le contexte des pièces tournantes rotatives, comme par exemple un arbre ou un axe sortant d'un carter moteur ou d'un arbre porté et guidé dans un palier, l'étanchéité entre le milieu intérieur à préserver, dans lequel réside généralement un fluide lubrifiant, et le milieu extérieur est réalisé couramment par un joint statique circulaire dont au moins une lèvre souple est en appui glissant sur l'arbre. De tels joints sont par exemple connus par les documents FR 2 986 598, EP 2 044 351, EP 2 895 773 et EP 2 739 885. Toutefois, pour les environnements particulièrement chargés en agents, substances et matériaux polluants pour le milieu intérieur à préserver, il est également connu d'associer aux dispositifs de joints du type précité des éléments d'étanchéité ou des moyens de protection complémentaires en vue de protéger le passage d'arbre et le joint d'étanchéité en place (étanchéité pour les fluides intérieurs) contre les contaminants extérieurs (eau, boue, poussières, ...). A titre d'exemples, de tels éléments et moyens additionnels connus on peut citer les lèvres pare-poussières fixes (sans contact, mais présence d'un interstice laissant passer les contaminants près de la surface de l'arbre) et les joints à lèvres labyrinthe, généralement en fibres non-tissées (en contact avec l'arbre tournant, donc pertes importantes par frottements). On connait également des moyens formant ventilateur ou soufflante, sous la forme d'une roue à ailettes spécifique montée sur l'arbre rotatif, en amont et à distance du joint, pour repousser les contaminants en créant un flux d'air de refoulement (voir par exemple : GB 2123498, CN 202469005). 3047533 - 2 - Dans les différents cas précités, il s'agit de structures supplémentaires spécifiques n'interagissant pas, ni ne coopérant avec le joint en place et entraînant par contre un surcoût, un encombrement, un poids et une complexité constructive additionnels importants. 5 En regard des limitations ci-dessus de l'état de la technique, l'invention a pour but essentiel de fournir une solution combinée d'étanchéité et de protection contre les contaminants, qui soit performante, simple, peu coûteuse, et qui ne génère au plus que des pertes faibles. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif d'étanchéité 10 pour arbre ou axe rotatif, comprenant un joint d'étanchéité monté fixe dans un passage ou un orifice traversé par ledit arbre ou axe, fournissant une barrière étanche entre un milieu intérieur et un milieu extérieur et constitué, d'une part, par un corps support sous la forme d'une bague porteuse avec une aile axiale extérieure et une aile radiale, préférentiellement à section en 15 L, et d'autre part, par une rondelle d'étanchéité qui est rapporté sur la bague porteuse, entoure l'aile axiale sur le pourtour extérieur de ladite bague et s'étend vers l'intérieur, le long de la face de l'aile radiale tournée vers l'extérieur, pour se terminer par une lèvre d'étanchéité en appui glissant sur l'arbre ou l'axe rotatif à étancher, ledit dispositif d'étanchéité comprenant 20 également un moyen de protection contre les contaminants extérieurs, en particulier du type poussières, eau ou boue, dispositif d'étanchéité caractérisé en ce que le moyen de protection contre les contaminants extérieurs comprend une bague additionnelle qui est solidaire de l'arbre ou de l'axe rotatif, qui est disposé 25 du côté extérieur par rapport au joint d'étanchéité et qui comporte une aile radiale formant par coopération avec l'aile radiale de la bague porteuse du joint d'étanchéité une structure annulaire à chicanes ou labyrinthique. L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ci-après, qui se rapporte à des modes de réalisation préférés, donnés à titre 30 d'exemples non limitatifs, et expliqués avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels : la figure 1 est une vue partielle en coupe, selon un plan contenant l'axe de rotation, d'un arbre traversant une ouverture, un dispositif d'étanchéité selon l'invention étant arrangé entre l'arbre et le passage de l'ouverture ; la figure 2 est une vue en élévation selon la direction X, parallèle à l'axe de rotation de l'objet représenté figure 1 ; 3047533 - 3 - les figures 3A et 3B sont des vues, à une échelle différentes, du détail A de la figure 1, montrant un premier mode de réalisation du dispositif de joint selon l'invention, respectivement en élévation frontale (figure 3A) et en perspective (figure 3B) ; 5 les figures 4A et 4B sont des vues, à une échelle différentes, du détail A de la figure 1, montrant un deuxième mode de réalisation du dispositif de joint selon l'invention, respectivement en élévation frontale (figure 4A) et en perspective (figure 4B) ; les figures 5A et 5B sont des vues, à une échelle différentes, du 10 détail A de la figure 1, montrant un troisième mode de réalisation du dispositif de joint selon l'invention, respectivement en élévation frontale (figure 5A) et en perspective (figure 5B), et, les figures 6A et 6B sont des vues en élévation frontale du détail A de la figure 1 illustrant chacune une variante différente d'un 15 quatrième mode de réalisation du dispositif d'étanchéité selon l'invention (le passage étanchéifié n'étant pas représenté). Les figures 1 à 6 montrent un dispositif d'étanchéité 1 pour arbre ou axe rotatif 2, comprenant un joint d'étanchéité 3 monté fixe dans un passage ou un orifice 4 traversé(e) par ledit arbre ou axe, fournissant une 20 barrière étanche entre un milieu intérieur et un milieu extérieur (voir figure 1). Cette délimitation entre milieux intérieur et extérieur résulte, par exemple, de la présence d'une paroi de carter 1' dans laquelle est ménagé le passage 4. 25 Ce joint 3 est constitué, d'une part, par un corps support 5 sous la forme d'une bague porteuse avec une aile axiale 6 extérieure et une aile radiale 6', donc préférentiellement à section en L, et d'autre part, par une rondelle d'étanchéité 7 qui est rapporté sur la bague porteuse 5, entoure l'aile axiale 6 sur le pourtour extérieur de ladite bague 5 et s'étend vers 30 l'intérieur, le long de la face de l'aile radiale 6' tournée vers l'extérieur, pour se terminer par une lèvre d'étanchéité 8 en appui glissant sur l'arbre ou l'axe rotatif 2 à étancher. Ce dispositif d'étanchéité 1 comprend également un moyen de protection contre les contaminants extérieurs, en particulier du type 35 poussières, eau ou boue. Conformément à l'invention, le moyen de protection 9 contre les contaminants extérieurs comprend une bague additionnelle qui est 3047533 - 4 - solidaire de l'arbre ou de l'axe rotatif 2, qui est disposé du côté extérieur par rapport au joint d'étanchéité 3 et qui comporte une aile radiale 10 formant par coopération avec l'aile radiale 6' de la bague porteuse 5 du joint d'étanchéité 3 une structure annulaire à chicanes ou labyrinthique. 5 Ainsi, grâce à une mesure technique simple, l'invention permet de fournir un écran de protection rotatif 9 couvrant extérieurement le joint 3 et efficace contre les contaminants, solides et liquides en particulier, non seulement du fait de sa seule présence obstructrice, mais également du fait de sa coopération de forme intime avec le joint 3 et le passage 4. 10 De manière avantageuse, la bague additionnelle 9 formant déflecteur annulaire est montée de manière étanche sur l'arbre ou l'axe rotatif 2. De plus, son aile radiale 10 s'étend préférentiellement radialement vers l'extérieur jusqu'à une faible distance de la face interne 4' du passage de l'orifice 4, préférentiellement dans un plan P parallèle au plan P' 15 contenant l'aile radiale 6' du joint d'étanchéité 3. Un tel agencement réduit notablement la progression des contaminants extérieurs vers le joint 3 en empêchant toute introduction de contaminants le long de la surface de l'arbre ou de l'axe 2 et en limitant très fortement, voire en combattant activement l'introduction de tels 20 contaminants le long de la face interne 4' du passage ou de l'ouverture circulaire 4 (la distance en cette dernière et le pourtour circulaire extérieur de l'aile annulaire 10 étant avantageusement inférieure à lmm, préférentiellement de l'ordre de quelques centièmes à quelques dixièmes de millimètres). 25 La face 10' de l'aile radiale 10 peut, bien entendu, être située à faible distance du joint 3, sans contact avec l'aile radiale 6' de la bague 5 recouverte par la rondelle 7 (voir figures 3A et 3B). Il se crée alors un volume interstitiel annulaire 15 renfermant une lame d'air. 30 Toutefois, en accord avec une caractéristique avantageuse de l'invention, ressortant des figures 4 à 6, il peut être prévu que la face 10' de l'aile radiale 10 de la bague additionnelle 9, tournée vers le joint d'étanchéité 3, soit en contact glissant discontinu ou localisé, préférentiellement linéaire, avec la partie 7' de la rondelle 7 d'étanchéité 35 recouvrant l'aile radiale 6' de la bague porteuse 5 du joint d'étanchéité 3. Grâce à cette disposition, une étanchéité additionnelle est réalisée entre la bague additionnelle 9 et le joint d'étanchéité 1, laquelle 3047533 - 5 - bloque l'accès à la région critique d'étanchéité dynamique constitué par la zone de contact glissant entre la lèvre d'étanchéité 8 et la surface de l'arbre ou de l'axe rotatif 2 contre laquelle elle vient en appui. De plus, cette disposition de l'invention permet, en outre, dans 5 le contexte d'un joint 3 tel qu'évoqué précédemment et par exemple divulgué par les dépôts FR 2 986 598, EP 2 044 351 et EP 2 739 885 au nom de la demanderesse, d'exploiter avantageusement la partie 7' de la rondelle 7, jusque-là non utilisée dans un contexte d'étanchéisation ou de fonction barrière dans l'état de la technique. 10 En outre, en prévoyant une zone de contact préférentiellement linéaire, ou à tout le moins discontinue, on limite les pertes dues aux frottements, en particulier lorsque les matériaux en contact permettent d'aboutir à un coefficient de friction faible. En accord avec un premier mode de réalisation de l'invention, 15 illustré par exemple aux figures 6A et 6B, la partie 7' considérée rondelle d'étanchéité 7 comporte en surface au moins une structure en relief et/ou en creux 11 venant en contact, au moins sous une pression légère, avec une zone plane correspondante de la face 10' en regard de l'aile radiale 10 de la bague additionnelle 9. Cette ou ces structures peuvent venir de moulage ou 20 être obtenues par formage. En accord avec un second mode de réalisation de l'invention, dont deux variantes sont représentées aux figures 4 et 5, la face 10' concernée de l'aile radiale 10 de la bague additionnelle 9 comporte en surface au moins une structure 12 en relief (figures 5) et/ou en creux 25 (figures 4) venant en contact, au moins sous une pression légère, avec une zone plane de la face 7" en regard de la partie 7' de la rondelle 7 recouvrant l'aile radiale 6' de la bague porteuse 5. Lorsqu'elles sont formées en creux (figures 4), ce sont les parties des structures 11, 12 restant affleurantes avec la surface de l'aile 10 30 ou de la rondelle 7 qui constituent les zones de contact (elles sont alors avantageusement de niveau avec les zones de surface non pourvues de structure et également en contact). Les deux dispositions précitées peuvent également être mises en oeuvre simultanément et cumulativement. 35 Dans ce cas, et selon un troisième mode de réalisation de l'invention, non représenté aux dessins annexés, il peut être prévu que des structures en relief et/ou en creux 11,12 sont prévues sur la partie 7' de 3047533 - 6 - rondelle d'étanchéité 7 considérée et sur l'aile radiale 10 de la bague additionnelle 9, les deux structures 11 et 12 étant situées dans des régions circonférentielles annulaires distinctes, non chevauchantes, situées à des distances différentes autour de l'arbre ou de l'axe rotatif 2. 5 Bien entendu, différentes configurations et conformations peuvent être envisagées pour les deux types de structure(s) en relief 11 et 12. Ainsi, il peut être prévu une structure d'un seul tenant ou une pluralité de structures séparées, arrangées selon un motif déterminé. De 10 même, la section transversale du tracé (nervure, rainure) de la structure peut être constante ou non, et présenter des formes privilégiant une zone de contact limitée (par exemple : section semi-circulaire, triangulaire, rectangulaire, carvée de faible largeur). Conformément à une variante de réalisation pratique, la ou 15 l'une au moins des structure(s) en relief et/ou en creux 11, 12 consiste en une spirale (hélicoïdale), dont le sens d'enroulement de l'extérieur vers l'intérieur correspond au sens de rotation de l'arbre ou de l'axe rotatif 2. Une telle structure génère lors de la rotation une action d'éjection centrifuge, en plus de sa fonction barrière multicouche. 20 Conformément à une autre variante de réalisation pratique, la ou l'une au moins des structure(s) en relief et/ou en creux 11, 12 consiste en un motif d'au moins deux nervures ou rainures circulaires concentriques (obtention de plusieurs barrières successives dans la direction radiale). En plus de la ou des structures 11, 12 évoquées ci-dessus, ou 25 alternativement par rapport à celle(s)-ci, il peut être prévu que l'aile radiale 10 de la bague additionnelle 9 comporte, sur sa face 10' située en regard et à distance de l'aile radiale 6' de la bague porteuse 5 recouverte par la rondelle d'étanchéité 7, une ou plusieurs formations en relief et/ou en creux apte(s) à générer, lors de la rotation de la bague additionnelle 9, un flux d'air 30 centrifuge dans l'espace interstitiel 15 entre le joint d'étanchéité 1 et ladite bague additionnelle 9 (non représenté). Des structures 11, 12 remplissant les deux fonctions (barrière et génération de flux d'air), c'est-à-dire partiellement en contact avec la face en regard, peuvent également être prévues. 35 La lèvre d'étanchéité 8, pour réaliser l'étanchéité dynamique, vient normalement en application directe sur l'arbre ou l'axe rotatif 2, préférentiellement par une face de son extrémité libre pourvue d'une 3047533 - 7 - structure de refoulement (voir FR 2 986 598), comme le montrent les figures 3, 5 et 6A. En variante, cette lèvre 8 peut également venir en application contre un élément rapporté sur ledit arbre ou axe 2. 5 Ainsi, comme le montre la figure 6B et les figures 4, l'aile axiale 13, en application étanche autour et contre l'arbre ou l'axe rotatif 2 réalise un chemisage extérieur axialement limité de ce dernier, ladite aile axiale 13 s'étendant le long dudit arbre ou axe 2 au-delà du plan P' contenant l'aile radiale 6' de la bague porteuse 5 et formant surface d'appui 10 glissant pour la lèvre d'étanchéité 8 du joint d'étanchéité 1. En vue de produire une action dynamique de refoulement ou de répulsion en amont du moyen de protection 9 et de fournir une étanchéité active entre ce dernier et le passage ou l'ouverture 4, la bague additionnelle 9 peut comporter, préférentiellement sur la face de son aile radiale 10 15 opposée au joint d'étanchéité 7 ou tournée vers l'extérieur et/ou sur le pourtour extérieur de cette aile 10, une pluralité de formations 14, en relief ou en creux, préférentiellement réparties circonférentiellement de manière homogène. Ces formations 14, illustrées par exemple sur les figures 2, 3 et 5, sont aptes et destinées à générer un flux d'air lors de la rotation de l'arbre 20 ou de l'axe 2, avantageusement un vortex orienté de manière à s'opposer à l'introduction de contaminants extérieurs dans l'interstice entre ladite bague additionnelle 9 et la face interne 4' de la paroi du passage ou de l'orifice 4. Comme cela ressort des figures 2, 3 et 5 des dessins annexés ces formations 14 peuvent par exemple consister en des ailettes. Toutefois, 25 une formation unique, telle qu'une spirale hélicoïdale, apte à générer le flux d'air répulseur peut également être envisagée. De plus, le bord d'entrée de l'orifice ou du passage 4, tournée vers le milieu extérieur, peut éventuellement présenter une conformation ou une configuration spécifique participant au formage ou à l'orientation du flux d'air généré. 30 L'invention porte également sur les réalisations du dispositif 1 combinant deux ou plusieurs des modes et variantes de réalisation compatibles entre eux (elles), bien que non représenté(e)s aux dessins annexés. De manière avantageuse, la rondelle d'étanchéité 7 est réalisée 35 en PTFE (Polytétrafluoroéthylène) et la bague porteuse 5 est réalisée en tôle du type HLE. 3047533 - 8 - La bague additionnelle 9 peut par exemple, comme le montrent les figures, être composée de deux parties, à savoir une embase annulaire métallique (tôle) formant l'aile axiale 13 et emboîtée intimement sur l'arbre 2 et un disque annulaire en un matériau plastique formant l'aile radiale 10, 5 surmoulé sur l'embase et comportant les structures 12 et formations 14 éventuelles, préférentiellement venues de moulage. La tôle formant chacune des bagues 5 et 9 peut être de l'acier usiné ou embouti dans différentes qualités de feuillard (DCO4 et HLE par exemple), en tôle inox ou en tôle revêtue d'un traitement anti-corrosion. 10 Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention. REVENDICATIONS1. Dispositif d'étanchéité pour arbre ou axe rotatif, comprenant un joint d'étanchéité monté fixe dans un passage ou un orifice traversé par ledit arbre ou axe, fournissant une barrière étanche entre un milieu intérieur et un milieu extérieur et constitué, d'une part, par un corps support sous la forme d'une bague porteuse avec une aile axiale extérieure et une aile radiale, préférentiellement à section en L, et d'autre part, par une rondelle d'étanchéité qui est rapporté sur la bague porteuse, entoure l'aile axiale sur le pourtour extérieur de ladite bague et s'étend vers l'intérieur, le long de la face de l'aile radiale tournée vers l'extérieur, pour se terminer par une lèvre d'étanchéité en appui glissant sur l'arbre ou l'axe rotatif à étancher, ledit dispositif d'étanchéité comprenant également un moyen de protection contre les contaminants extérieurs, en particulier du type poussières, eau ou boue, dispositif d'étanchéité (1) caractérisé en ce que le moyen de protection (9) contre les contaminants extérieurs comprend une bague additionnelle qui est solidaire de l'arbre ou de l'axe rotatif (2), qui est disposé du côté extérieur par rapport au joint d'étanchéité (3) et qui comporte une aile radiale (10) formant par coopération avec l'aile radiale (6') de la bague porteuse (5) du joint d'étanchéité (3) une structure annulaire à chicanes ou labyrinthique. 2. Dispositif d'étanchéité selon la revendication 1 caractérisé en ce que la bague additionnelle (9) formant déflecteur annulaire est montée de manière étanche sur l'arbre ou l'axe rotatif (2) et en ce que son aile radiale (10) s'étend radialement vers l'extérieur jusqu'à une faible distance de la face interne (4') du passage de l'orifice (4), préférentiellement dans un plan (P) parallèle au plan (P') contenant l'aile radiale (6') du joint d'étanchéité (3). 3. Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la face (10') de l'aile radiale (10) de la bague additionnelle (9), tournée vers le joint d'étanchéité (3), est en contact glissant discontinu ou localisé, préférentiellement linéaire, avec la partie (7') de la rondelle (7) d'étanchéité recouvrant l'aile radiale (6') de la bague porteuse (5) du joint d'étanchéité (3). 4. Dispositif d'étanchéité selon la revendication 3 caractérisé en ce que la partie (7') de la considérée rondelle d'étanchéité (7) comporte en 3047533 - 10 - surface au moins une structure en relief et/ou en creux (11) venant en contact, au moins sous une pression légère, avec une zone plane correspondante de la face (10') en regard de l'aile radiale (10) de la bague additionnelle (9). 5 5. Dispositif d'étanchéité selon la revendication 3, caractérisé en ce que la face (10') concernée de l'aile radiale (10) de la bague additionnelle (9) comporte en surface au moins une structure en relief et/ou en creux (12) venant en contact, au moins sous une pression légère, avec une zone plane de la face (7") en regard de la partie (7') de la rondelle (7) 10 recouvrant l'aile radiale (6') de la bague porteuse (5). 6. Dispositif d'étanchéité selon les revendications 4 et 5, caractérisé en ce que des structures en relief et/ou en creux (11,12) sont prévues sur la partie (7') de rondelle d'étanchéité (7) considérée et sur l'aile radiale (10) de la bague additionnelle (9), les deux structures (11 et 12) 15 étant situées dans des régions circonférentielles annulaires distinctes, non chevauchantes, situées à des distances différentes autour de l'arbre ou de l'axe rotatif (2). 7. Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que la ou l'une au moins des 20 structure(s) en relief et/ou en creux (11, 12) consiste en une spirale, dont le sens d'enroulement de l'extérieur vers l'intérieur correspond au sens de rotation de l'arbre ou de l'axe rotatif (2). 8. Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que la ou l'une au moins des 25 structure(s) en relief et/ou en creux (11, 12) consiste en un motif d'au moins deux nervures ou rainures circulaires concentriques. 9. Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'aile radiale (10) de la bague additionnelle (9) comporte, sur sa face (10') située en regard et à distance de 30 l'aile radiale (6') de la bague porteuse (5) recouverte par la rondelle d'étanchéité (7), une ou plusieurs formations en relief et/ou en creux apte(s) à générer, lors de la rotation de la bague additionnelle (9), un flux d'air centrifuge dans l'espace interstitiel (15) entre le joint d'étanchéité (1) et ladite bague additionnelle (9). 10. Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la bague additionnelle (9) comporte également une aile axiale (13), en application étanche autour et 3047533 - 11 - contre l'arbre ou l'axe rotatif (2) et réalisant un chemisage extérieur axialement limité de ce dernier, ladite aile axiale (13) s'étendant le long dudit arbre ou axe (2) au-delà du plan (P') contenant l'aile radiale (6') de la bague porteuse (5) et formant surface d'appui glissant pour la lèvre 5 d'étanchéité (8) du joint d'étanchéité (1). 11. Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la bague additionnelle (9) comporte, préférentiellement sur la face de son aile radiale (10) opposée au joint d'étanchéité (7) ou tournée vers l'extérieur et/ou sur le pourtour 10 extérieur de cette aile (10), une pluralité de formations (14), en relief ou en creux, préférentiellement réparties circonférentiellement de manière homogène, et aptes à générer un flux d'air lors de la rotation de l'arbre ou de l'axe (2), avantageusement un vortex orienté de manière à s'opposer à l'introduction de contaminants extérieurs dans l'interstice entre ladite bague 15 additionnelle (9) et la face interne (4') de la paroi du passage ou de l'orifice (4). 12. Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la rondelle d'étanchéité (7) est réalisée en PTFE et en ce que la bague porteuse (5) est réalisée en tôle du 20 type HLE.