Technologie/Fonctions mécaniques/Étanchéité

La fonction étanchéité se rencontre dans la plupart des mécanismes, où son rôle est d'une grande importance. D'ailleurs, les défaillances n'ont-elles pas très souvent comme origine un défaut d'étanchéité ?

Étanchéité

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Généralités

La fonction étanchéité

Définition

La fonction étanchéité consiste à empêcher ou à réduire le passage d'éléments liquides, solides ou gazeux entre deux milieux. Il peut s'agir aussi bien d'éviter la sortie de fluides que l'on souhaite confiner dans un espace donné que l'entrée d'éléments indésirables dans une enceinte.

Les éléments à prendre en compte sont nombreux :

La nature du problème

Chaque problème d'étanchéité doit faire l'objet d'une étude de cas, dans la mesure où les paramètres à prendre en compte sont extrêmement variés. Dans les situations courantes, il existe tout de même des solutions éprouvées auxquelles le constructeur expérimenté saura faire appel. Citons quelques exemples :

• étanchéité entre la culasse et le bloc-moteur d'un moteur à combustion interne,
• étanchéité du passage d'un arbre à travers la paroi d'un carter rempli d'huile,
• étanchéité entre les deux chambres d'un vérin pneumatique ou hydraulique,
• étanchéité de canalisations,
• étanchéité de machines travaillant sous vide ou dans le vide,
• etc.

La nature des fluides et des ambiances

• fluides : air, eau, vapeur d'eau, gaz, huile,
• éléments solides : poussières de charbon, ciment, sable,
• dangers particuliers dus à de nombreux produits chimiques qui peuvent être corrosifs, toxiques, inflammables, radioactifs, etc.

Les contraintes d'utilisation

Elles sont extrêmement diversifiées : températures en service et hors service, pressions internes et externes, vitesses de glissement ou de rotation, accélération, jeux, matériaux employés, états de surface, lubrification, corrosion, abrasion, durées de vie, etc.

Classification des problèmes

• étanchéité parfaite ou imparfaite :

Dans certains cas, l'absence totale de communication et d'échange de matière entre les deux milieux est un impératif absolu. En revanche, il existe de nombreuses situations dans lesquelles une fuite raisonnable peut être tolérée ou même provoquée lorsqu'elle constitue une condition de bon fonctionnement du mécanisme considéré. Le débit des fuites peut être influencé par d'innombrables facteurs : différences de pression, dimensions et formes géométriques des jeux, états et déformations des surfaces, usures, porosité des enveloppes et des joints, viscosité des fluides, etc.

• étanchéité statique ou dynamique :

Dans le premier cas, il n'y a aucun mouvement relatif entre les éléments intervenant dans l'étanchéité, dans le second il peut se produire des mouvements relatifs de rotation, de transla­tion ou de « vissage » entre les pièces.

• étanchéité directe ou indirecte :

Dans le premier cas, aucun élément n'est rapporté entre les pièces dont il faut rendre l'interface étanche, dans le second, la fonction étanchéité est réalisée au moyen d'un joint d'étanchéité. Ce dernier peut être un composant à part entière, susceptible de figurer dans la nomenclature d'un projet sous forme de pièce détachée, mais aussi un produit n'ayant pas de forme propre comme une pâte à joint, une colle, de la filasse enduite ou un ruban plastique.

Démarche pour résoudre un problème d'étanchéité

Pour concevoir une étanchéité dans de bonnes conditions, il est nécessaire de bien étudier les multiples facteurs du problème et en cas de besoin, il ne faut pas hésiter à faire appel à des fabricants expérimentés.

Critères de sélection d'un joint

- définition du degré d'étanchéité re­quis,

- élasticité et stabilité dimensionnelle du joint,

- résistance à l'extrusion sous forte pression,

- compatibilité avec le fluide et la température,

- propriétés de frottement,

- résistance à l'abrasion,

- absence de contamination du fluide par le joint,

- différence de pression en service : les fortes pressions, le vide, les pressions va­riables, posent des problèmes très différents,

- localisation de l'installation : intérieur ou extérieur,

- plage des températures,

- conditions de montage,

- vitesse, amplitude et fréquence des mouvements,

- frottement estimé, risques de stick-slip et d'usure (voir le livre de tribologie),

- périodes d'arrêt et durées de fonc­tionnement,

- caractéristiques du matériau du lo­gement (nature, dureté, rugosité des surfa­ces d'étanchéité)

- périodicité des opérations d'entretien et durée de vie prévue.

Entretien avec un fabricant

En consultant un certain nombre de fa­bricants de joints on peut profiter de l'expé­rience de spécialistes. Le problème sera plus vite et mieux résolu. Un tel entretien se prépare soigneusement, il est impor­tant :

- de définir les critères correspondant au problème,

- de quantifier ces critères.

Étanchéité statique directe

Facteurs essentiels à considérer

L'écoulement vers l'extérieur du fluide contenu dans une enceinte sous pression, ou l'intrusion d'éléments extérieurs dans une enceinte en dépression, dépendent  :

- de la porosité de la paroi de l’enceinte (par exemple avec les pièces de fonderie),

- du mauvais appui des surfaces de contact, lié aux déformations des pièces à cause du serrage ou de la mise en pression, et des défauts macro et micro-géométriques de leurs surfaces,

- de la nature du fluide,

- de la différence de pression

- de la température

Solutions de principe

Réduire les défauts de surface

Diminuer les divers ordres de rugosité (aspérités, ondulation...), choisir les usinages appropriés (rodage, galetage, polis­sage...) qui sont parfois longs et coûteux !

Attention cependant, un certain degré de rugosité est tout de même à respecter pour une étanchéité poussée. On ne peut pas atteindre les plus grands degrés d'étanchéité avec une surface parfaitement plane.

Augmenter la pression de contact

Il faut écraser les aspérités des pièces sur l'ensemble de la surface de contact.

- en augmentant la force de serrage on cherche à minimiser les défauts macro-géo­métriques mais cette solution a des limites : un serrage mal conçu ou mal exécuté tend à faire apparaître des dé­formations nuisibles.

- en réduisant les surfaces de contact, on facilite l'écrasement des aspérités.

Exemples de solutions

Ces quelques exemples illustrent les principes énoncés précédemment.

Étanchéité statique avec interposition d'un joint

Généralités

Rôle du joint

L'utilisation d'un joint (élément défor­mable) entre 2 surfaces évite :

- des usinages précis et coûteux,

- des efforts de serrage importants.

Propriétés d'un joint d'étanchéité statique

- si la pression relative entre les milieux intérieur et extérieur est nulle, le serrage doit mettre le joint suf­fisamment en pression pour qu'il vienne « remplir » les défauts de surfaces sans dépas­ser une valeur limite au-delà de laquelle il perd son élasticité.

- si la pression à l'intérieur de l'enceinte est plus forte qu'à l'extérieur, les sur­faces entre lesquelles on doit réaliser l'étanchéité tendent à se séparer ; il faut que le joint soit capable d'occuper en per­manence la zone entre les deux surfaces.

- si la pression à l'intérieur de l'enceinte est plus faible qu'à l'extérieur, les surfaces tendent :au contraire à se rapprocher, ce qui a priori aide à réaliser l'étanchéité ; il faut veiller cependant à ce que les pressions qui s'exercent sur le joint lors du fonctionnement ne soient pas trop fortes afin de ne pas provoquer de déformations ou autres endommagements irréversibles.

Solutions pratiques

Les produits et composants disponibles sur le marché sont très nombreux. Parmi les solu­tions les plus courantes on peut citer quelques exemples :

Pâtes et mastics d'étanchéité

Ils ont l'avantage de s'adapter à toutes les formes et à tous les états de surface. On les utilise pour réaliser l'étanchéité des car­ters, des pompes, des filetages, etc. Pour les petites séries, ils évitent de découper des joints, pour les grandes séries, ils peuvent être déposés par des robots.

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  Joint par filasse et pâte d'étanchéité (éventuellement, filasse savonnée) dans un raccord vissé
• 
  Mastic autocollant en bandes préformées

Joints collés

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  Étanchéité par collage de tuyauteries en PVC

Joints brasés

• 
  Étanchéité d'un raccord par brasure

Joints coulés

Certains raccords de tuyauterie, ou d'autres éléments de machines, sont rendus étanches par coulée d'un métal, d'un goudron ou d'une résine dans un logement ménagé entre les deux parties à étancher. La solidification est obtenue par refroidissement pour les joints coulés en métal ou en goudron et par polymérisation pour les joints en résine.

Rubans, plaques, bandes, etc.

Ils s'adaptent aux formes les plus diverses et se découpent en fonction des besoins. Les ma­té­riaux sont très variés : papier, caoutchouc, liège, polytétrafluoroéthylène (PTFE ou Teflon) ; les produits anciens à base d'amiante (cancérigène) disparaissent du marché.

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Rondelles métalliques

- les métaux "mous" (plomb, cuivre, argent ...) écrasés ou coulés (0.5 à 1 mm) conviennent jusqu'à 70 bars (7 Mpa)

- les métaux "durs" écrasés par un ser­rage énergique (acier, inox, nickel...) sont utilisés au-delà de 70 bars et pour les tempé­ratures élevées.

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Rondelles diverses

- Rondelles en fibres liées par un élastomère : elles conviennent pour des pressions pouvant atteindre 40 bars entre des surfaces planes, jusqu'à 150 bars avec emboîtement, les températures peuvent atteindre 300 °C. Le remplacement de l'amiante par d'autres types de fibres peut poser des problèmes dans les cas difficiles.

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  Joint fibre
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  Graphite expansé
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  Composite graphite
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  PTFE
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  Joint biconique pour tuyauterie

Bagues BS

• Présentation : un anneau de caout­chouc de section trapézoïdale, collé dans une bague en acier, se déforme en deux lè­vres lors du serrage. Solution simple et fia­ble, l'élastomère est protégé lors du ser­rage. Exige une surface de contact propre.
• Utilisations : têtes de vis, brides, ... pression jusqu'à 600 bars.
• Exemples :

Joints spiralés

• Présentation : un cordon souple est disposé sur plusieurs rangs et mis en forme en fonction de la configuration des pièces à étancher. Pour maintenir ce cordon en place, il est souvent nécessaire de prévoir un logement et/ou des bagues de retenue qui évitent qu'il soit chassé, tout en limitant l'écrasement sous l'effet du serrage.
• Utilisations : joints de tuyauterie, de carters, etc. Pour les très petites séries.
• Exemples :

Joints plans découpés

• Présentation : ces joints se présentent au départ sous la forme de plaques ou de bandes que l'on découpe à la demande pour obtenir des pièces adaptées aux contours à étancher. Les matériaux sont très diversifiés : papier, feutre, carton, caoutchouc, composés fibreux, etc.
• Utilisations : essentiellement joints de carters, de tuyauteries, etc.
• Exemples :

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Joints toriques organiques

• Présentation : bagues de section cir­culaire en élastomère moulé sous pression. On utilise le Néoprène en qualité standard mais aussi des silicones, des élastomères fluorés, etc. L'étanchéité est réali­sée par le serrage initial et la pression du fluide.
• Données d'utilisation :

- peu encombrants

- conviennent pour de nombreux fluides

- faible coût de revient

- supportent de fortes pressions : 500 bars avec certaines précautions

- usinage du logement parfois coûteux

- état de surface Ra < 1,6

- chromage pour forte pression

- phénomène d'extrusion à combattre

- température de - 35 à + 110°C avec les joints courants

• Exemples :

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  joint torique pour vide

Variante : joint de bride

Joints toriques métalliques

• Présentation : les exigences industri­el­les de plus en plus sévères sont à l'origine de ces joints. Même forme que les précé­dents, le matériau est différent (acier inoxydable, aciers spéciaux, monel, inconel). Il existe différents types : standard, pressurisé (rempli de gaz), auto-serreur (la pression s'exerce aussi à l'intérieur du joint).
• Données d'utilisation :

- p = 700 bars maxi

- joint auto-serreur p = 700 bars et plus

- joint à paroi épaisse p = 850 bars

- température de - 268 à + 1370°C

- joint pressurisé (gaz inerte) 400 à 800°C

- utilisés en aéronautique, aérospatiale, industrie chimique, nucléaire, cryotechnique

• Exemples :

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Joints Quad Ring (quatre lobes)

• Présentation : analogues aux joints toriques, mais leur section sensiblement carrée évite les problèmes de torsion au montage.
• Données d'utilisation : étanches malgré une compression initiale faible. Ne supportent pas les hautes pressions (au-delà de 250 bars préférer les joints toriques)
• Exemples :

Joints et rondelles mixtes ou métalloplastiques

• Présentation : une enveloppe métallique (par exemple en Z 6 CND) ou plastique (souvent PTFE) renferme une âme en matériau plastique, amiante pour les joints anciens, élastomères ou autres matériaux ; l'âme est relativement poreuse et déformable, tandis que l'enrobage est imperméable et résistant à la chaleur ou à la corrosion.
• Données d'utilisation :

- pression maxi 150 bars, avec emboîtement 200 bars

- température maxi : 500°C

• Exemples :

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Soufflets

• Présentation : ces protections sont réalisées en divers matériaux (cuir, fibres plastifiées, caoutchouc synthétique, feuilles métalliques soudées, acier inoxydable).
• Données d'utilisation :

- protection de divers organes de machines, caches

- les différences de pres­sion doivent généralement rester faibles

- température de -250 à + 700°C suivant les matériaux

• Exemples :

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  Soufflets métalliques
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Membranes

• Présentation : ce sont des organes qui séparent deux milieux. Les membranes à déroulement pour courses longues sont très mobiles et comportent une faible épaisseur de paroi en élastomère avec ou sans armature textile.
• Données d'utilisation :

- pression 10 bars maxi

- température 130°C maxi.

• Exemples :

Presse-étoupe

On les utilise essentiellement pour les passages de câbles électriques ou de tubulures de petit diamètre à travers les parois des boîtiers, des carters, etc.

• Présentation : ce dispositif peut être constitué de plusieurs éléments, généralement :

- un corps principal à double filetage formant un fourreau pour le câble,

- un écrou, éventuellement associé à une rondelle d'étanchéité, assurant la fixation du corps du presse-étoupe sur la cloison,

- un manchon déformable mis en pression vient se serrer à la fois sur le câble et dans le corps principal du dispositif ; autrefois en étoupe (déchets de peignage du lin et du chanvre), ce manchon est aujourd'hui réalisé en caoutchouc ou autre matière synthétique ou parfois simplement constitué par l'extrémité déformable du corps,

- un écrou mettant en pression le manchon déformable, souvent par l'intermédiaire d'une cale anti-extrusion.

• Données d'utilisation :

- pour les applications à température ambiante, les pièces sont le plus souvent en plastique

- si la température est relativement élevée, les éléments rigides sont en laiton, en acier zingué, etc.

• Exemples :

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Joints gonflables

On les utilise en particulier pour l'étanchéité des portes des avions.

Joints divers

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  Joint métallique souple pour une porte de four

Étanchéité dynamique sans joint

Généralités

L'étanchéité dynamique est plus difficile à réaliser que l'étanchéité statique car les mouvements relatifs des deux pièces néces­sitent un jeu, tandis que les efforts tangentiels de frot­tement dissipent sous forme de chaleur une énergie qui peut être importante et qu'il faut alors évacuer. Il faut aussi prévoir la lubrifi­cation du contact et tenir compte des phé­nomènes d'usure.

Réaliser une étanchéité dynamique sans joint, c'est accepter une fuite contrôlée et des usinages parfois coûteux.

Solutions pratiques

Labyrinthes et chicanes

• Présentation : un passage étroit re­tient la graisse et protège le mécanisme contre la pénétration d'impuretés.
• Données d'utilisation :

- bonne tenue aux hautes températures

- frottements très faibles ou nuls

- pas d'usure

- complément de protection d'un joint à lèvre radial par exemple

• Exemples :

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Jeu réduit

• Présentation : le faible espace laissé entre les pièces limite l'entrée des impuretés et les fuites. Ces der­nières sont en gros proportion­nelles au cube du jeu, d'où l'intérêt de ré­duire ce dernier. En cas de « fouettement » d'un arbre dans un carter, l'ajustement à jeu réduit peut être réalisé au moyen d'une ba­gue flottante.
• Exemples :

Gorges

• Présentation : les fuites peuvent s'écouler suivant deux régimes : le régime laminaire correspond à un écoulement facile et donc à de fortes fuites, le régime turbulent rend l'écoulement plus difficile et permet donc de réduire les débits. Les gorges permettent en outre d'uniformiser la pression autour des pistons dont elles favo­risent le centrage et la lubrification. Il faut les placer du côté de la plus haute pression.
• Données d'utilisation :

- conditions difficiles de pression et de température

- pas de maintenance

- pistons de pompe

- pour favoriser l'écoulement turbulent, les gorges doivent impérativement présenter des angles vifs. Ne jamais les chanfreiner !

• Exemples :

Glaces de distribution

• Présentation : elles sont réalisées dans divers matériaux relativement tendres comme le graphite ou au contraire très durs comme les aciers traités ou les céramiques (carbures, nitrures, alumine, etc.). Les défauts macro et micro-géométriques doivent être extrême­ment faibles, la qualité atteint souvent le poli optique. Il faut utiliser des matériaux présentant un faible coefficient de frotte­ment et surtout une bonne résistance au grippage. La fuite (quand elle existe...) lu­brifie la surface de contact. L'usure est rat­trapée automatiquement.
• Utilisations : pompes et moteurs hy­drauliques, volucompteurs, mitigeurs ...
• Exemples :

Étanchéité dynamique en rotation avec joint

Généralités

Dans la plupart des cas, une lèvre ou un joint exerce une pression sur l'arbre. Le frottement joint-arbre s'effectue toujours au même endroit, d'où le risque d'échauffement et de défaut de lubrification. Des dispositifs plus élaborés, destinés à des conditions de service plus difficiles, mettent en présence deux « glaces » planes parfaitement polies.

Solutions techniques

Garnitures rotatives radiales

C'est le dispositif souvent appelé « presse-étoupe » ou « presse-garniture » que l'on trouve très fréquemment dans la robinetterie, à la sortie des arbres de pompes, etc.

• Présentation : un matériau déformable contenu dans un logement (tresse spéciale, bagues empilées, filasse suiffée, etc.) est mis en compression par un fouloir lié au carter par un filetage ou par une bride poussée par deux vis. L'application la plus courante est la robinetterie. On trouve aussi ce système sur certaines pompes centrifuges ; dans ce cas, il faut prévoir une alimentation de la garniture par le fluide porté à la pression de sortie, dans le double but de refroidir la garniture et de créer une fuite vers l'extérieur prévenant toute entrée d'air qui pourrait désamorcer la pompe ou polluer le fluide pompé.
• Données d'utilisation :

- frottement sur l'arbre à très faible vitesse linéaire V = 40 m/s maxi

- pression 15 bars maximum

- encombrement réduit

- défauts de concentricité tolérés jusqu'à 0,4 mm

- frottements souvent très élevés, il faut redouter l'échauffement excessif

- coût très modéré

• Exemples :

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Joints à lèvres

Ces joints sont souvent désignés dans les milieux de l'automobile et de la motocyclette sous le nom de « joints SPI », du nom de la société allemande qui fut la première à les fabriquer. Le montage est relativement délicat, et le démontage encore plus, étant donné qu'il ne faut provoquer aucun endommagement.

• Présentation : ce type de joint comporte en général :

- une armature métallique (1) qui lui confère une certaine rigidité,

- une lèvre intérieure (2) qui réalise l'étanchéité du fluide intérieur et frotte sur l'arbre,

- un ressort (3) qui assure le contact de cette lèvre sur l'arbre,

- une lèvre extérieure (4) anti-poussière,

- une enveloppe extérieure en élastomère qui assure une étanchéité statique avec le carter.

• Données d'utilisation :

- les joints à lèvre sont généralement emmanchés ou collés dans le carter, beaucoup plus rarement sur l'arbre.

- il faut se méfier de la création de chaleur dans la zone de frottement

- pression de 3 à 10 bars

- température de - 80 à 200°C

- vitesse linéaire V = 20 m/s maximum en l'absence de pression

- rugosité de l'arbre Ra < 0,3

- ces joints doivent impérativement être centrés et appuyés avec soin contre une surface perpendiculaire à l'arbre ; un montage « de travers », même légèrement, crée très vite une fuite, de même que la moindre rayure de l'arbre

• Exemples :

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Joints V-RING, Gamma et similaires

• Présentation : ces joints sont montés sur l'arbre et frottent sur la surface du carter.
• Données d'utilisation :

- protection des roulements à rotule

- rugosité de la surface d'appui de 0,3 à 3 µm

- excentration importante 0,4 à 36 mm

- obliquité possible jusqu'à 4°

- vitesse linéaire V = 12 m/s maxi si le joint tourne avec l'arbre, V = 20 m/s maxi si c'est le carter qui tourne (pas d'effet d'inertie sur la lèvre)

• Exemples :

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Joints à lèvres, variantes

Outre les formes classiques, les joints à lèvre peuvent revêtir des formes extrêmement diversifiées. Exemples :

Joints « feutre »

• Présentation : une simple lanière de feutre imprégnée d'huile ou de graisse, montée dans une gorge, constitue une solution fort économique
• Données d'utilisation :

- attention à l'usure à trois corps ! Les poussières retenues par le joint risquent en effet d'user l'arbre même s'il est très dur.

- une bague très mince en acier cémenté peut être montée sous le joint, il suffit de la casser et de la remplacer en cas d'usure, ce qui évite tout endommagement de l'arbre.

• Exemples :

Garnitures mécaniques

• Présentation : l'étanchéité est obtenue par frottement plan sur plan d'une face annulaire tournante et d'une contre-face fixe. Un ressort applique ces deux surfaces l'une contre l'autre (rattrapage d'usure). Afin de réduire les conséquences du frottement (usure, échauffement, perte de puissance) il faut réunir les conditions pour que se forme entre les deux surfaces un film de fluide. L'état de surface doit être excellent (poli optique). Ces joints sont très onéreux.
• Exemples :

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• Fichier:Joint plat spécial.JPG
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  Les surfaces frottantes de ce joint mécanique de pompe sont munies d'un revêtement continu de diamant ultrananocristallin (ultrananocrystalline-diamond = UNCD). Les cristaux de diamant ont des dimensions variant de 2 à 5 nm.

Étanchéité dynamique en translation avec joint

Généralités

Contrairement au précédent, ce type d'étanchéité ne provoque généralement pas d'échauffement localisé car les vitesses sont presque toujours beaucoup plus faibles et surtout, la surface de contact se déplace sur l'une des pièces. Ce dernier facteur est favorable pour la lubrification mais défavorable pour l'usure en raison du risque accru de rencontrer des aspérités sur la surface « balayée ».

Solutions techniques

Joints toriques

Ces joints ont déjà été rencontrés plus haut.

• Présentation : la pression de contact au montage réalise l'étanchéité joint-surface. La pression de fonctionnement tend à déformer le joint et à augmenter cette pression de contact.
• Données d'utilisation :

- systèmes hydrauliques et pneumatiques (étanchéité pour tige ou piston)

- efficacité convenable si les conditions ne sont pas très sévères

- courses et fréquences faibles

- encombrement réduit

- bien respecter les contraintes d'usinage du logement

- éviter les jeux trop importants (fluage du joint)

- vitesse assez faible

- toujours choisir la plus grande section possible pour minimiser les effets de l'usure

- les joints toriques sont souvent accompagnés de bagues de glissement

• Exemples :

Joint torique et bague anti-extrusion

• Présentation : la bague anti-extrusion évite les dégradations du joint. On augmente sa résistance à la pression.
• Exemples :

Joint à quatre lobes

• Présentation : le joint de section « carrée » comporte deux lèvres actives sur chaque pièce. L'élasticité de ces dernières assure l'étanchéité au repos. Sous pression, les lèvres sont plaquées sur la surface de contact.
• Données d'utilisation :

- durée de vie plus élevée que celle du joint torique

- meilleur comportement en translation

- étanchéité pour tige ou piston

- pression 100 à 400 bars

- température de - 60 à + 260°C

- vitesse inférieure à 0,5 m/s

• Exemples :

Joint à lèvre U

• Présentation : le joint comporte deux lèvres dont l'élasticité assure étanchéité au repos. Ce joint n'est étanche que dans un seul sens.
• Données d'utilisation :

- l'étanchéité est améliorée par la pression qui tend à écarter les lèvres

- utiliser 2 joints opposés dans le cas de pressions alternées

- vérins courants pour huile et autres fluides gras

- pression inférieure à 400 bars

- température de -30 à 100°C

- vitesse inférieure à 0,5m/s

• Exemples :

Joint à lèvre L ou T

• Présentation : la lèvre, grâce à son élasticité, se trouve en contact avec la surface. Ce contact se renforce lors de la mise en pression.
• Données d'utilisation :

- vérins à air

- pression inférieure à 15 bars

- température de -30 à 100°C

- vitesse inférieure à 0,5 m/s

• Exemples :

Joint avec manchette + ressort

• Présentation : le ressort facilite le contact joint-surface et améliore l'efficacité du joint dans le temps.
• Données d'utilisation :

- pression inférieure à 300 bars

- température de -150 à 220°C

- vitesse inférieure à 15 m/s

- bon frottement à sec

- pas d'effet de broutage

- grande résistance à l'usure

- très résistant aux chocs thermiques

• Exemples :

Joints de tige spéciaux

• Exemples :

Joint racleur

• Présentation : il participe au "nettoyage" des tiges pour éviter l'entrée des impuretés, en complément d'un autre joint.
• Données d'utilisation :

- vérins standard

- hydraulique mobile légère et moyenne

- usinage du logement et montage faciles

- température de -30 à + 100°C

- vitesse inférieure à 2 m/s

• Exemples :

Garnitures moulées

• Présentation : elles sont composées de plusieurs bagues à chevrons, d'une bague frontale et d'une bague de pression. Le problème d'étanchéité peut être maîtrisé en jouant sur deux paramètres : le nombre de bagues chevron et la pression sur les bagues.
• Données d'utilisation :

- pression inférieure à 500 bars

- peu sensible à la présence de contaminants

- peu sensible aux légers défauts des surfaces d'étanchéité

- température de -200 à + 220°C

- vitesse inférieure à 0,5 m/s

- pompes à pistons

• Exemples :

Segments de pistons

• Exemples :

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  segments racleurs
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  Segments (1911)
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Étanchéités spéciales

Entraînement par un champ magnétique

Traversée magnétique

• Données d'utilisation :

- bonne étanchéité à de fortes pressions (200 bars)

- bon rendement

• Exemple :

Moteur électrique à chemise d'entrefer

• Données d'utilisation :

- encombrement moindre que les traversées magnétiques

- rendement du moteur moins bon en raison de l'augmentation de l'entrefer

• Exemple :

Entraînements à travers une paroi déformable

Membrane en élastomère

• Données d'utilisation :

- tenue en pression limitée

- diffusion possible des gaz à travers l'élastomère

• Exemples :

Membrane métallique

• Exemple :

Joints liquides

• Présentation : on utilise un liquide non miscible avec le fluide qu'il s'agit d'étancher : eau, mercure, huile, etc. Ce liquide peut être utilisé sous forme d'un joint statique ou d'un joint formé par centrifugation. Dans certains cas, on souhaite que le liquide se solidifie à l'arrêt pour maintenir l'étanchéité. Ainsi, on réalise des joints liquides avec du plomb, de l'étain ou des alliages à bas point de fusion (alliages de WOOD, Cerro-Bend,...).
• Exemples :

Montage des joints

Recommandations générales de montage

Usinage des surfaces

- prévoir des chanfreins ou des arrondis

- supprimer les bavures ou les rugosités excessives

- prévoir un bon état de surface au niveau du con­tact joint-surface

Propreté

- éviter toute présence de particules

- prévoir une bonne filtration du fluide

- éviter la présence d'air dans le circuit

- utiliser des racleurs si nécessaire

Outils de montage

Il est recommandé d'utiliser des outils de montage pour éviter les dégradations des joints sur les angles vifs et pour mieux ré­partir la pression nécessaire au montage.

• Exemples :

Le « jeu des 21 erreurs »

Les conceptions présentées ci-dessous peuvent paraître convenables en première analyse et pourtant, elles ne comportent pas moins de 21 erreurs pour réaliser la fonction étanchéité.

Les 21 erreurs :

1. Guidage trop court (l=d)
2. Mauvais usinages : angle du chanfrein 20 à 30° maxi, méplat sur diamètre inférieur, rugosité de la surface trop forte
3. Pas de chanfrein sur le tube, d'où dé­gradations des joints sur le piston
4. Serrage excessif du joint qui risque d'être écrasé
5. Améliorer la rugosité par écra­sement de matière
6. Attention au jeu d'extrusion trop fort derrière le joint
7. Absence de guidage du piston. Les joints ne doi­vent pas servir au guidage
8. Longueur axiale du logement trop courte
9. La mention "compatible avec l'huile" est insuffi­sante
10. L'orifice d'admission produit un étranglement du courant du fluide et provoque une dé­sorption d'air
11. Création d'une pression de transfert devant le joint par absence de rainure hélicoïdale de décompression dans le guidage
12. Joint torique trop proche du chanfrein
13. Profil sous-dimensionné par rapport à la pression p = 280 bars
14. Un filetage ne donne pas un bon positionnement, le centrage n'étant jamais rigoureux
15. L'indication « rectifier » n'est pas suffi­sante
16. Chanfrein à 45° trop prononcé
17. Longueur filetée trop courte pour la charge imposée
18. Mauvais soutien des joints
19. Absence d'éléments de guidage
20. Absence d'étanchéité par joint tori­que entre tige et piston
21. Joint torique + bague anti-extrusion (p = 280 bars)

Étanchéités et protections intégrées sur les roulements

L'étude générale des roulements fait l'objet de chapitres spécifiques :

pour en savoir plus : guidage par roulement

Roulements protégés

• Principe : la nécessité de protéger les roulements a conduit à les concevoir avec des dispositifs d'étanchéité incorporés, ils sont équipés d'un flasque (passage étroit) ou d'un joint à lèvre (étanchéité complète) ou des deux à la fois si les applications sont difficiles.
• Solutions techniques :

Accessoires d'étanchéité (autour des roulements)

Flasques en tôle emboutie

On réalise un passage étroit sans frot­tement. Le roulement est lubrifié à la graisse. La tôle, adaptée aux dimensions du roulement, retient le lubrifiant et empêche l'intrusion des poussières.

Rondelles Z floquées

Le flocage est formé de courtes fibres de Nylon fixées sur les rondelles et garnies de graisse. On les monte toujours par paires et on peut en faire varier le nombre.

Anneaux NILOS

Ils sont constitués d'un ensemble de chica­nes monobloc en tôle.

Systèmes divers

Remarque : il faut noter que si l'on trouve la plu­part de ces systèmes couramment asso­ciés à des roulements, il n'est pas interdit de les utiliser pour d'autres applications.

Les matériaux des joints

Le matériau d'un joint doit assurer sa fiabilité, son efficacité et sa durée de vie. Les matériaux disponibles étant extrêmement nombreux, il est conseillé de consulter les fabricants pour un choix judicieux.

Généralités

Qualités du matériau

- déformabilité élastique ou plastique sui­vant l'usage,

- adaptation aux formes des surfaces d'étanchéité,

- réaction aux variations de pression

- ...

Propriétés mécaniques

- résistance à la traction

- dureté

- résistance à l'abrasion

- coefficient de frottement statique et dynamique

- flexibilité

- résilience

- amortissement vibratoire, aptitude au rebondissement

- déformation rémanente après com­pres­sion et élongation

- ...

Propriétés thermiques

- résistance à la chaleur ou au froid

- conductivité thermique

- dilatation thermique

- ramollissement

- effet JOULE

Propriétés physiques et chimiques

- compatibilité avec le fluide à étancher

- gonflement et rétraction

- vieillissement

- reprise d'humidité

Les élastomères

Ce sont des composés à base de caout­choucs naturels ou synthétiques et d'autres produits (charges) comme le graphite, le talc, ...

Élastomères compatibles avec les huiles minérales

• acrylonitrile

• butadiène (Perbunan ®)

- grande élasticité

- très bonne résistance à la traction

- très souvent utilisé

- résistance à la température de - 25 à 100 °C en fonctionnement continu

- compatibles avec les fluides hydrauli­ques HFA, HFB et HFC, les hydrocar­bures aliphatiques (essence, huiles minéra­les), les huiles et graisses animales et végé­ta­les

• caoutchouc polyacrylate

- température de - 25 à + 150 °C

- bonne résistance à l'oxygène et à l'ozone

• caoutchouc fluorocarbone (Viton ®)

- excellente résistance à la lumière et aux produits chimiques

- température de - 25 à 200 °C

- compatible avec les huiles et graisses minérales, les carburants

• caoutchouc polychloroprène (Neo­prène ®)

- bonne tenue mécanique

- qualités de vieillissement

- résistance aux acides dilués et aux alcalis

- température de - 40 à + 100°C

• élastomères polyuréthanne

- bonnes propriétés mécaniques

- résistance à l'abrasion

- température de - 30 à + 90 °C

- compatibles avec essence, huile miné­rale, hydrocarbures

• caoutchoucs silicone

- température - 55 à + 175 °C

- bonne résistance au vieillissement

Elastomères non compatibles avec les huiles minérales

• caoutchouc styrène - butadiène

- température - 45 à 100 °C

• caoutchouc éthylène propylène diène

- bonne résistance au vieillissement

- température - 45 à 150 °C

Tissus enduits de caoutchouc

L'incorporation de tissus dans les caout­choucs améliore la tenue mécanique et la résis­tance à l'extrusion

Les thermoplastiques ou plastomères

• polytétrafluoroéthylène ou PTFE (Téflon ®, ...)

- coefficient de frottement très faible à condition que la vitesse de glissement soit faible

- grande inertie chimique

- température de - 270 à + 260°C

- charges possibles : verre, graphite, car­bone, bronze

• polyamides (Nylon ®, Rilsan ®...)

- excellentes propriétés de friction

- compatibles avec hydrocarbures, huiles et graisses minérales

- température de - 20 à 90 °C

• polycarbonates (Makrolon ®)

- température - 40 à + 100 °C

- absorbent moins d'eau que les polyamides

l

• polyacétals

- température - 40 à + 100°C

- compatibles avec hydrocarbures, alcools

Élastomères thermoplastiques

Ils réunissent les qualités des élastomères et des thermoplastiques. Ces produits, dif­ficiles à mettre au point, sont actuellement l'objet de recherches intensives. Ils se caractérisent par des propriétés telles que :

- bonne résistance à la rupture

- bonne flexibilité à froid (- 55°C)

- bonne résistance au vieillissement

- facilité de mise en œuvre

Dégradation des joints et de leur environnement

Les divers modes de dégradation des surfaces sont décrits dans le livre de tribologie :

pour en savoir plus : usure des surfaces

Usure par abrasion

Abrasion par contact direct

Elle est due pour l'essentiel à une rugosité trop grande des surfaces antagonistes, pour lesquelles un polissage soigné s'impose.

Abrasion par un fluide contaminé

La présence de particules en suspension dans le fluide à étancher peut être due à la nature même de ce fluide, mais elle peut aussi être due à une pollution accidentelle, par exemple en cas de défaillance du système de filtration.

Dégradations par l'air contenu dans le fluide

Érosion par des bulles d'air

De l'air peut parfois s'infiltrer dans le jeu d'étanchéité. Lorsque la pression chute bru­talement, les bulles d'air se dilatent et libè­rent une énergie importante.

Dégradation par « effet diesel »

L'air rapidement comprimé peut se trou­ver échauffé jusqu'au point d'auto-inflamma­tion du mélange air-huile, d'où la brûlure ou la fusion du joint. La pression locale peut atteindre 5 à 6 fois la pression de service.

Cavitation

Lorsqu'un fluide passe à travers un étranglement, il peut se créer un vide par effet Venturi. Le résultat est une désorption d'air ou la formation de bulles de vapeur. Lorsque la pression augmente à nouveau, les bulles peuvent imploser, ce qui provoque une érosion par effet de jet.

Dégradation par pression et pression de remorque

Pression de remorque

Le fluide entraîné par la tige s'introduit dans le jeu d'étanchéité. Il se crée une pression supplémentaire dite « pression de remorque ».

Dégradations diverses

Vibrations

Lorsque le mouvement du piston s'effec­tue par à-coups (stick-slip), les vibrations peuvent produire des dégradations du joint et parfois des pièces métalliques voisines.

Extrusion

Sous l'effet de la pression, le cylindre se dilate et le jeu d'étanchéité s'accroît au point que le joint peut y être chassé. Lorsque la pression chute, il se trouve écrasé. On cons­tate des dégradations par « grignotage » du matériau. Les bagues anti-extrusion évitent ce phénomène.

Bibliographie

Livres et polycopiés

• BARLIER, C., BOURGEOIS, R. et CAPLIEZ, A. .- Memotech Productique, conception et dessin .- Paris, Educalivre, édition 1978.

• CHEVALIER, A. .- Guide du dessina­teur industriel .- Paris, Hachette, édition 1993.

• GIROT, Franck .- Étanchéité .- Bordeaux, IUT « A », 1988

• LEGRAND, Yves .- La fonction étanchéité .- Bordeaux, IUT « A », 1977.

• MARTIN, J. .- Manuel de l'étanchéité en mécanique .- Paris, C.C.P. , 1981.

• NEUDER, M., MARCY, D., MARCY, F. .- Introduction à l'art de l'ingénieur .- Paris, Augustin, 1988.

• SÉGURET, Jacques .- Étanchéité .- Bordeaux, ENSAM, 1970.

Sociétés commerciales

• TECHNETICS GROUP, 90 rue de la Roche du Geai, 42029 Saint Etienne FRANCE
• ROTEN-MSG Dichtungen GmbH, Industriestraße 10, D-35325 Mücke / Nieder-Ohmen (ALLEMAGNE)

• FREUDENBERG, BP 2062, 170 rue Branly (SIMRIT), 1020 MÂCON Cedex 09

• GREENE, TWEED et co, BP 409, 95527 CERGY PONTOISE Cedex

• INA Roulements, 93 route de Bitche, 67506 HAGUENAU Cedex

• LE JOINT FRANCAIS, 84-116 rue Salvador Allende, 95870 BEZONS

• MARTIN MERKEL, Parc industriel de Torcy, BP 35, 77201 MARNE-LA-VALLEE Cedex 1

• NYDEGGER, Z. I. Nord rue Maison Rouge, BP 58, 67602 SÉLESTAT Cedex

• PARKER, Z. I. du Mont-Blanc, BP 482, Ville-la-Grand 74108 ANNEMASSE Cedex

• PAULSTRA, 61. rue Marius-Aufan, 92305 LEVALLOIS-PERRET

• RACCORDS GAUTHIER, 45, rue Nationale, 02310 ROMENY-SUR-MARNE

• SEPHAT, Burospace Antelia, 8. Chemin de Gizy, 91571 BIÈVRES Cedex

• SKF, 30-32 avenue des trois Peuples, 78180 MONTIGNY LE BRETONNEUX

• VICTORIA S.A., Z. I. de la Gare, 91690 GUILLERVAL-SACLAS

Images en attente d'intégration

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