L'étanchéité est une fonction qui revt une importance de plus en plus grande en mécanique, par suite, d'une part, de l'utilisation croissante des fluides pour les commandes (hydrauliques, pneumatiques) et pour les contrôles et, d'autre part, du nombre très important et de la très grande diversité des composants mécaniques. Le confinement d'un gaz ou d'un liquide, de par sa nature, n'est pas aisé. Une fuite, mme petite, peut avoir de multiples conséquences, tant sur le plan de la disponibilité du matériel que sur celui du fonctionnement et aussi de la sécurité. Des exemples courants montrent que des ensembles fort complexes peuvent connaître des ennuis importants par suite d'une simple fuite.

On distingue deux types d'étanchéité : -en statique, la jonction doit tre généralement démontable, au moins de temps à autre ; les surfaces assemblées sont variées : plans, sphères, cylindres, cônes, etc. ; -en dynamique, la jonction est telle que l'une des deux surfaces est mobile par rapport à l'autre, ces surfaces étant souvent de mme nature géométrique.

Les garnitures d'étanchéité pour des pièces en translation ou en rotation l'une par rapport à l'autre trouvent une application dans un très large domaine, depuis le piston du moteur à combustion interne jusqu'aux vérins ou aux arbres de turbine.

L'étanchéité des surfaces en mouvement relatif doit, le plus généralement, tre obtenue aussi bien à l'arrt que quelle que soit la vitesse de déplacement de ces surfaces, en n'étant la source que d'efforts le plus réduits possible. Les solutions existantes sont très nombreuses selon le type d'utilisation, mais elles sont limitées en vitesse, en pression ou en température. En effet, la garniture d'étanchéité doit assurer une étanchéité entre les deux pièces avec une différence de pression entre ses deux faces. Cette différence de pression génère une force de friction qui, associée au déplacement relatif des deux pièces, provoque un dégagement de chaleur. Ce dégagement de chaleur, en augmentant la température de l'ensemble, provoque des forces de friction dues à la dilatation des pièces en contact, forces qui à leur tour augmentent la température jusqu'à obtenir un équilibre de température qui doit tre inférieur à la température maximale d'utilisation des matériaux.

L'étanchéité en mouvement de translation est le plus souvent résolue avec un joint qui, solidaire d'une des deux surfaces, va venir en contact avec l'autre surface et donc frotter sur celle-ci.

L'étanchéité devant tre assurée aussi à l'arrt, ce joint, outre des caractéristiques de joint statique, doit présenter les meilleures caractéristiques possibles en frottement, c'est-à-dire : -résistance au déplacement minimale, -usure négligeable.

Le frottement entraîne un dégagement de chaleur souvent préjudiciable à la durée de vie. Toutefois, il faut remarquer qu'en translation la surface en contact glissant avec le joint se renouvelle, ce qui facilite l'écoulement thermique. La résistance au déplacement et à l'usure est fonction de très nombreux paramètres dont les principaux sont : -la nature du matériau du joint, -la nature du matériau de la surface frottante, -la vitesse de déplacement, -la pression, -le fluide à étancher, -la qualité de la surface mobile (dureté, rugosité, etc.).

Les élastomères sont beaucoup utilisés dans ce type de joint malgré un coefficient de frottement assez élevé et une mauvaise conductivité thermique. Il est absolument indispensable, avec les élastomères, de lubrifier le joint. Les familles principalement employées sont : -les nitriles, surtout avec les huiles minérales ; -les silicones pour des températures jusqu'à 200°C, mais ils sont peu résistants à l'usure ; -les produits fluorés également pour des températures jusqu'à 200°C ; ils sont utilisables avec de nombreux produits chimiques et ont de bonnes qualités mécaniques ; -il faut y ajouter le polyuréthanne, très résistant à l'usure, mais sensible à un certain nombre de fluides liquides, en particulier l'eau.

II est important de remarquer que la matière du joint en contact avec la surface frottante s'échauffe ; par suite, sa température risque d'tre supérieure à la température du fluide. Si cette dernière est voisine de la température limite d'utilisation de l'élastomère, il y a risque de détérioration. Cela est vrai aussi pour les autres matériaux, d'autant plus que leur coefficient de conductivité thermique est faible. Les polyamides sont utilisés assez souvent car ils ont un coefficient de frottement relativement faible. Ces matériaux étant aussi très mauvais conducteurs de la chaleur, ils sont souvent chargés par des poudres de graphite ou de bisulfure de molybdène (qui abaissent encore le coefficient de frottement) et par de fines particules métalliques (cuivre, plomb, etc.), mais de plus intéressant est le PTFE dont le coefficient de frottement est très bas (0,1 à 0,05). Le PTFE permet aussi de travailler dans des fluides jusqu'à 250°C et, chargé de graphite ou de bisulfure de molybdène, il peut fonctionner avec une lubrification très faible, voire absente, sous des conditions de pression et de vitesse toutefois modérées.

Les métaux, sauf pour les segments, sont peu utilisés, par suite de leur tendance au grippage. Là aussi, la lubrification est très importante et absolument indispensable. La fonte et le bronze sont les

deux matériaux les plus courants. Le graphite est un matériau assez utilisé pour son faible coefficient de frottement, pour son bon transfert thermique et pour sa grande inertie chimique mme à température élevée (400°C dans l'air). On utilise parfois l'amiante en association avec le PTFE.

Dans les moteurs à combustion interne et les compresseurs I'étanchéité est réalisée par des segments fendus. Les segments d'étanchéité ont une section droite rectangulaire et leur mission d'étanchéité aux gaz est assurée : -par appui de leur face externe contre le cylindre.

-par appui de leur face inférieure contre la gorge du piston.

Pour que t'étanchéité soit bonne, l'ouverture à la coupe nécessaire pour créer l'élasticité indispensable à l'application du segment sur le cylindre, doit tre aussi faible que possible. La coupe du segment laisse un passage de gaz brûlants le long du piston entraînant la pollution de l'huile et l'échauffement du piston ; de plus, elle entraîne une usure rapide du haut du cylindre par introduction de particules abrasives. En général, trois segments coupés sont nécessaires pour assurer une étanchéité suffisante et tous les constructeurs s'évertuent à limiter le nombre de ces segments, du fait de l'influence néfaste qu'ils exercent sur le rendement mécanique du moteur. On peut, en effet, tabler sur le fait que chaque segment abaisse de 104 Pa la pression moyenne effective développée par moteur. La dispersion non négligeable de différentes pertes par frottement dans les moteurs à combustion interne n'empche pas de remarquer que, presque la moitié de ces pertes provient de 1'ensemble piston-segments. Les pertes affectées aux segments seuls représentent la majeure partie dans les systèmes convenablement optimisés.

Ce qui différencie fondamentalement les joints pour mouvement tournants de ceux pour translation, c'est le fait que la surface mobile sur laquelle ils assurent t'étanchéité est pratiquement toujours la mme. Cela a des conséquences très importantes du point de vue de l'usure, du dégagement et de l'évacuation de la chaleur. En outre, les vitesses atteintes peuvent tre beaucoup plus élevées. De plus,

l'étanchéité peut tre réalisée, soit directement sur l'arbre (joints radiaux), soit en dehors de 1'arbre en dynamique mais suivant une direction parallèle à l'axe de l'arbre (joints axiaux). Un joint pour mouvement tournant qui est utilisé dans des conditions de vitesse de rotation périphérique et sous une pression du fluide déterminée peut fonctionner avec d'autres caractéristiques à condition de respecter le produit (pression. vitesse) égal à une constante, produit désigné par PV (exprimé en Mpa. m. s'). Cela n'est vrai que dans des conditions bien déterminées, en particulier lubrification, dureté et rugosité de l'arbre, etc., et pour une durée de vie bien définie. En outre, il y a une limite pour la pression et pour la vitesse. Le joint torique à section circulaire convient pour des vitesses lentes (inférieures à 0,5 m. s~l) et pour des pressions élevées (jusqu'à 10 Mpa). L'ordre de grandeur du facteur PV est de 1 pour des durées de vie de l'ordre de 200 à 500 h et de 0,1 pour des durées de l'ordre de 5000h, cela avec une lubrification abondante à l'huile et avec un diamètre d'arbre d'environ 30 mm.

Les joints à lèvre sont très courants. ils sont constitués d'une armature métallique de section en L sur laquelle est surmoulée une partie en élastomère. L'étanchéité a lieu sur la lèvre dont la section en contact avec l'arbre doit tre très faible. Le facteur PV des joints à lèvre dépend de l'élastomère utilisé. II est de l'ordre de 0,5 pour des joints en nitrile avec une vitesse périphérique maximale de 15 m. s-1 et de 1,5 pour des joints en élastomère fluoré avec une vitesse maximale de 25 m. s''.

Leur tenue en pression est très faible, normalement inférieure à 0,05 Mpa.

Toutefois il est possible de les faire travailler jusqu'à 1 Mpa, les vitesses ne dépassant pas alors quelques mètres par seconde.

Les performances les plus élevées en P. V. appartiennent aux garnitures mécaniques. Une garniture mécanique est un ensemble mécanique assurant t'étanchéité en rotation par deux surfaces planes normales à l'axe de rotation et animées d'un mouvement relatif de l'une par rapport à l'autre. Le fonctionnement d'une garniture mécanique est satisfaisant à condition de respecter certains impératifs. Le premier est celui d'une lubrification correcte. Les garnitures permettent des

performances très élevées, fonction d'ailleurs de la précision de leur réalisation, de la nature des matériaux et donc en définitive de leur prix.

II est possible de les classer en trois catégories : -applications courantes : PV jusqu'à 1 ; -applications à bonnes performances : PV jusqu'à 20 ; -applications à très hautes caractéristiques : PV jusqu'à 300.

Le rapport de prix entre les premières et les dernières peut aller jusqu'à un facteur de 100, à taille égale.

Pour les basses températures ambiantes, les effets dus à la dilatation sont minimisés en utilisant des matériaux déformables comme les élastomères ou les plastiques, et en utilisant si nécessaire des formes flexibles comme dans les joints à livre ou à chevron.

Pour les hautes températures ambiantes, ces matériaux sont remplacés par des métaux mais alors le problème de la dilatation devient critique. Pour les pièces en rotation, on peut réaliser des garnitures dites mécaniques où les faces en contact sont perpendiculaires à 1'axe de rotation, mais en translation il n'y pas de solutions satisfaisantes. Pour avoir une étanchéité absolue, le joint doit tre continu et ceci entraîne par dilatation des frictions importantes limitant les vitesses de déplacement. Pour avoir des vitesses plus élevées il faut sacrifier t'étanchéité. Pour les turbines on utilise un système de labyrinthe qui, en ne mettant pas les pièces en contact, permet de très grandes vitesses avec une fuite permanente du fluide qu'il faut étancher.

Pour les moteurs à combustion interne ou les compresseurs à piston, on élimine la dilatation en utilisant des bagues fendues mais, là aussi, il y a fuite permanente avec des problèmes de pollution. L'amélioration de t'étanchéité se fait alors en augmentant le nombre de joints, mais ceci se fait au détriment du rendement de la machine.

L'invention a pour but de fournir une garniture mécanique continue pouvant travailler à des vitesses élevées avec une

étanchéité absolue, et également, puisque les matériaux la constituant peuvent monter à des températures plus élevées que les élastomères, d'améliorer le produit PV et d'élargir le champ d'utilisation. De plus, 1'invention peut fournir, pour des modes de réalisation particuliers, des moyens de compensation en température permettant de travailler à haute température.

Conformément à l'invention ce but est atteint grâce à une compensation en pression maintenant sensiblement constante la force de friction lorsque la pression augmente. De plus, peuvent tre ajoutés des moyens de compensation en température qui, malgré la dilatation, maintiennent constant le diamètre d'appui. De préférence, les moyens de compensation en température sont réalisés par utilisation de couples de matériaux de coefficient de dilatation thermique différente tels que des alliages d'acier, de titane, d'aluminium, avec un coefficient de dilatation thermique variant entre 8 à 24 10 6. De plus, la partie frottante de la garniture peut bénéficier d'un traitement de surface anti-usure offrant une palette extrmement variée de procédés s'appliquant non seulement aux métaux et alliages métalliques mais aussi aux polymères, aux composites, aux céramiques, etc. II s'agit, par exemple, des dépôts en phase vapeur, soit par voie chimique CVD, soit par voie physique PVD. Pour les dépôts PVD et CVD on met en évidence la très bonne résistance à l'usure et le très bon coefficient de frottement des dépôts DLC (Diamond-like carbon). Une garniture ainsi construite est soustraite au phénomène de grippage.

Une garniture d'étanchéité conçue conformément à l'invention présente un certain nombre d'avantages. Par sa compensation en pression elle permet de diminuer les forces de friction aux pressions élevées et donc de réduire l'usure et d'améliorer le rendement. Par ailleurs, pour garantir une élasticité de la garniture dans le sens radial, la lèvre est aussi mince et élastique que possible. En plus de la forme de la garniture caractérisée par une section particulièrement judicieuse, on prévoit des réalisations dans des matériaux à module d'Young fortement

variant en commençant par des polymères et finissant par des alliages d'acier ou des céramiques.

Par sa possibilité d'une compensation en température elle permet d'éliminer le problème posé par la dilatation dans les joints métalliques et d'obtenir ainsi une garniture étanche, ce qui n'est résolu actuellement que pour les très faibles vitesses et pour les garnitures mécaniques utilisables uniquement en rotation.

De façon plus précise, 1'invention concerne une garniture d'étanchéité mécanique continue à lèvre destinée à tre placée dans un logement généralement de forme torique situé dans une première pièce en mouvement relatif par rapport à une deuxième pièce, la lèvre étant en appui sur la deuxième pièce de façon à assurer l'étanchéité entre la garniture et la deuxième pièce, la garniture étant caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de compensation en pression tels que, sous 1'effet d'une variation de pression se produit une déformation de la garniture entraînant un léger mouvement de la lèvre en appui sur la deuxième pièce de façon à maintenir approximativement constante la force d'appui de la lèvre sur la deuxième pièce.

Si nécessaire, la garniture peut comporter des moyens de compensation de l'effort dû à la température. Ces moyens agissent sur le mouvement de la lèvre L'invention est décrite plus en détail ci-après à l'aide des dessins annexés dans lesquels : Les figures 1 et 2 sont des coupes présentant des ensembles piston-cylindre-garniture en mouvement relatif de translation et/ou de rotation.

La figure 3 est une coupe de la garniture dans la gorge du piston présentant une forme de réalisation de l'invention.

La figure 4 est une coupe de la garniture dans la gorge du piston présentant une autre forme de réalisation de l'invention avec compensation de température.

La figure 5 représente une autre forme de réalisation de l'invention avec la garniture en une seule pièce.

Les figures 6 et 7 représentent la garniture avec une partie de l'étanchéité réalisée par un joint torique.

La figure 8 représente une autre variante de réalisation avec utilisation d'une lèvre d'étanchéité solidaire du piston.

La figure 9 représente une autre variant de réalisation avec une partie de l'étanchéité réalisée par un joint métallique en forme de C.

Selon les figures 1 et 2 illustrant des utilisations de l'invention, la garniture d'étanchéité est placée dans une gorge 2 d'une forme de préférence torique à section rectangulaire. La gorge 2 est réalisée dans le piston ou dans le cylindre. Selon le mode de réalisation représenté sur les figures 1 et 2 la garniture dans un cas général est logée dans une gorge avec un certain jeu radial. Cette garniture sépare de façon étanche les deux volumes A et B de part et d'autre du piston et du cylindre.

Ainsi qu'il ressort de la figure 3,1'invention est relative à une garniture d'étanchéité continue à lèvre de forme généralement torique, la figure 3 ne montrant que la section du tore constituée des éléments suivants : -un ensemble 6 en forme de L renversé avec une lèvre 5 en appui sur la pièce 4 et une partie horizontale 7 en appui sur les deux extrémités de l'évidement 8 creusé dans le logement 2 de la pièce 3 et

-un ensemble 12 en forme de U renversé avec une jambe dont la lèvre 13 en appui sur la face supérieure de la partie horizontale 7 et une jambe dont la lèvre 14 en appui sur la face supérieure du logement 2.

La lèvre 5 est munie d'une couche mince anti-usure obtenue par les techniques de dépôt CVD et PVD, agencée de façon qu'elle exerce une pression minimale mais suffisante pour assurer t'étanchéité dans un plan transversal à I'axe du piston ou l'axe de rotation de l'arbre.

Le mode de réalisation de la figure 3 comporte donc des moyens de compensation en pression constitués par les éléments 5,7 et 8.

En effet, lorsque la pression différentielle appliquée entre les volumes A et B augmente, elle produit une force F sur la partie horizontale 7 en appui sur les bords de l'évidement 8, ce qui la fait fléchir vers le bas et provoque un mouvement de rotation de la lèvre 5 dans le sens de la flèche E s'opposant à l'augmentation de la pression de contact de la lèvre 5 sur la surface de contact de la pièce 4. La pièce torique 12 avec une section en forme de U renversé fait étanchéité entre la garniture 6 et la pièce 3 par ses deux lèvres 13 et 14. On comprend également que si la pression différentielle entre le volume A et B diminue, le mouvement de la lèvre 5 se produit dans le sens inverse de la flèche E, maintenant ainsi sensiblement constante la force d'appui de la lèvre 5 sur la pièce 4.

Contrairement à un joint classique à lèvre au lieu d'avoir un effet d'appui sur le cylindre ou sur le piston proportionnellement à la pression, on peut maintenir l'effort de contact au niveau de la livre 5 sensiblement constant et indépendant de la pression.

La figure 4 présente un autre mode de réalisation avec une compensation en pression identique à celle de la figure 3 mais avec une compensation en température constituée par 1'insert 11. Lorsque la température augmente, la garniture se dilate, augmentant ainsi son diamètre, ce qui modifie la pression de contact de la livre 5 sur la pièce 4. A cet effet, l'insert 11 avec un coefficient de dilatation thermique supérieur à celui de la bague 6, s'allonge davantage que la partie

horizontale 7 de la bague 6 et comme il est encastré dans cette partie ceci la fait fléchir et entraîne en rotation la lèvre 5 comme dans le cas de la pression présenté ci dessus. Un jeu 19 entre l'insert 11 et la partie horizontale 7 permet comme précédemment la flexion de la partie horizontale 7 sous 1'effet de la pression.

L'invention, avec sa compensation de la pression et si nécessaire, sa compensation en température, permet d'établir en fonctionnement, une pression de contact y permettant l'installation d'un film de lubrifiant. L'invention permet d'obtenir une force d'appui de la lèvre 5 juste suffisante pour assurer l'étanchéité quelles que soient la pression et la température et par conséquent de diminuer les forces de friction avec comme conséquences de réduire l'usure, de diminuer les pertes dues à la friction et d'augmenter la plage des vitesses.

La figure 5 représente une variante de la réalisation de la figure 4, la bague 6 étant prolongée par la lèvre 15 en contact avec la face supérieure de la gorge 2 pour assurer l'étanchéité entre les volumes A et B et la lèvre 5 prolongée vers le bas pour former une surface d'appui 9 sur la face inférieure de la gorge 2.

Lorsque la pression appliquée au volume A augmente, elle produit une force F sur la partie horizontale 7 de la bague 6 faisant pivoter celle-ci autour de la surface 9 dans le sens de la flèche E, le mouvement de rotation de la lèvre 5 s'opposant à l'augmentation de la pression de contact comme sur la figure 4. En cas de diminution de la pression le mouvement de rotation s'effectue dans l'autre sens.

L'espace 20 entre le fond de la bague 6 et la partie inférieure de la gorge 2 permet un pivotement aisé de la bague autour de la surface d'appui 9. L'insert 11 comme sur la figure 4 permet une compensation en température.

Les figures 6 et 7 représentent d'autres formes de réalisation de la garniture où l'ensemble 12 de la figure 4 a été remplacé par un joint torique 17 à section circulaire assurant t'étanchéité entre la pièce 3 et la garniture 6.

La figure 8 représente une autre forme de réalisation par rapport à la figure 4 dans laquelle l'ensemble 12 a été remplacé par une lèvre 18 faisant partie de la pièce 3 en remplacement de la lèvre 13 de la figure 4.

La figure 9 représente une autre forme de réalisation de la garniture où l'ensemble 12 de la figure 4 a été remplacé par un joint métallique 21 dont la section a la forme d'un C assurant t'étanchéité entre la pièce 3 et la garniture 6.

Selon l'invention, les mmes principes d'étanchéité interviennent dans le cas des mouvements axiaux ou des mouvements de rotation. En effet, dans le cas d'une version de garniture avec un jeu radial son immobilisation en rotation pourra tre assurée automatiquement par autoclavité de la livre 7. Le couple résistant de torsion de la garniture au niveau de la lèvre 7 va augmenter avec la pression, alors que le couple résistant au niveau de la lèvre 5 sera davantage constant selon le principe de compensation de la pression d'appui de la lèvre 5. De préférence, l'immobilisation en torsion pourra tre assurée par les dimensionnements des raideurs de lèvres 5 et 7 de telle façon qu'on ne puisse en aucun cas obtenir en premier une rotation au niveau de la lèvre 7. Pour rendre la garniture immobile en rotation on peut réaliser de quelconques butées mécaniques empchant la rotation de la garniture au moment du montage.

Quel que soit le mode de réalisation adopté, la garniture conforme à l'invention est avantageusement agencée de manière telle que la pression d'appui de la lèvre peut tre constante et minimale dans toutes les conditions de pression et de température différentes, mais suffisante pour assurer une étanchéité absolue. Une garniture ainsi construite en s'appuyant sur les propriétés tribologiques des couches minces anti-usure

obtenues par les techniques de dépôt CVD et PVD (carbures, nitrures, oxydes, carbonitrures, carbone-diamant, métaux dopés, etc.) est soustraite au grippage. De plus, les émissions fugitives sont réduites empchant pratiquement tout passage de fluide entre la lèvre et la surface d'appui, ce qui peut faire de la garniture un élément très important dans la réduction de la pollution des moteurs à combustion interne, vérins, turbines, compresseurs, etc.