FR2646888A1

FR2646888A1 - Sealing device for a rotating shaft, particularly for a shaft rotating at high speed

Info

Publication number: FR2646888A1
Application number: FR8906055A
Authority: FR
Inventors: Gilbert Vertadier
Original assignee: Rexroth Sigma SA
Current assignee: Rexroth Sigma SA
Priority date: 1989-05-09
Filing date: 1989-05-09
Publication date: 1990-11-16
Anticipated expiration: 2009-05-09
Also published as: FR2646888B1

Abstract

Annular sealing device 4 for a rotating shaft 3, particularly a shaft rotating at high speed, this device having to be capable of withstanding significant pressures in dynamic and static operation; it comprises an annular seal 6 with two lips 7, 8, known per se, having a couched U-shaped cross-section open on the high pressure side and made up of a relatively flexible elastically deformable material which is resistant to extrusion, to heat and to friction and which has a low coefficient of friction; an annular spring 9 surrounds the inner annular lip 7 and holds it pressed against the surface of the shaft 3, this spring having a transverse dimension which is less than substantially equal to or equal to the distance separating the two respective opposed faces of the two lips 7, 8; an elastic annular presser ring 10 surrounds the outer lip 8, and is interposed in a sealed fashion between this outer lip 8 and an annular support bearing surface 5 located facing the latter.

Description

Dispositif d'étanchement pour arbre tournant, notamment pour arbre tournant à grande vitesse.Sealing device for rotating shaft, in particular for high speed rotating shaft.

La présente invention concerne des perfectionnements apportés aux dispositifs d'étanchement pour arbre tournant, notamment pour arbre tournant à grande vitesse, ce dispositif devant pouvoir supporter des pressions importantes en fonctionnement dynamique et statique. The present invention relates to improvements made to sealing devices for a rotating shaft, in particular for a shaft rotating at high speed, this device having to be able to withstand significant pressures in dynamic and static operation.

Certains types de machines, par exemple des moteurs hydrauliques, fonctionnent sous des pressions de fluide importantes, par exemple une pression en dynamique de 30 40 bars et une pression en statique qui peut être supérieure à 175 bars; Lorsque ces machines sont équipées d'un arbre de sortie de petit diamètre (par exemple d'environ 20 mm ou moins) tournant à grande vitesse (par exemple 1500 t/mn ou plus), il se pose le problème d'assurer un étanchement efficace à la traversée du carter de la machine. Certain types of machines, for example hydraulic motors, operate under high fluid pressures, for example a dynamic pressure of 30 40 bars and a static pressure which may be greater than 175 bars; When these machines are equipped with a small diameter output shaft (for example around 20 mm or less) rotating at high speed (for example 1500 rpm or more), the problem arises of ensuring a seal effective when crossing the machine housing.

On connaît des joints annulaires à lèvres (joints à lèvre simple, joints à double lèvre en U) qui sont étudiés pour assurer l'étanchement pour un arbre tournant, mais dont la structure ne permet pas de remplir cette fonction sous des pressions élevées. En particulier, des joints connus å double lèvre à section transversale en U sont constitués en un matériau relativement souple, tel que le matériau connu sous la marque TEFLON ; les lèvres ne sont alors pas suffisamment rigides et doivent être renforcées a l'aide d'un ressort annulaire engagé entre elles ; ce ressort, ayant un diamètre sensiblement supérieur à l'intervalle séparant les lèvres, les repousse à l'écart l'une de l'autre et les applique l'une contre une portée de support et l'autre contre l'arbre. -Toutefois, les efforts exercés par le ressort sur les deux lèvres sont identiques tandis que les forces antagonistes sont notablement différentes et il en résulte des fuites au niveau de l'une ou de l'autre des lèvres. D'autres types de joints sont certes conçus pour supporter des pressions élevées, mais ils sont alors trop rigides et épousent mal le contour d'un arbre de petit diamètre ; en cas de déplacements radiaux de l'arbre, l'étanchement n'est plus assuré de façon parfaite et il en résulte des fuites. Annular lip seals are known (single lip seals, double U-shaped seals) which are designed to provide sealing for a rotating shaft, but whose structure does not allow this function to be fulfilled under high pressures. In particular, known double lip seals with a U-shaped cross section are made of a relatively flexible material, such as the material known under the brand TEFLON; the lips are then not sufficiently rigid and must be reinforced with the aid of an annular spring engaged between them; this spring, having a diameter substantially greater than the interval separating the lips, pushes them away from one another and applies them one against a support surface and the other against the shaft. -However, the forces exerted by the spring on the two lips are identical while the opposing forces are significantly different and this results in leaks at one or the other of the lips. Other types of seals are certainly designed to withstand high pressures, but they are then too rigid and ill fit the outline of a small diameter shaft; in the event of radial displacements of the shaft, sealing is no longer guaranteed in a perfect manner and this results in leaks.

Il est certes également possible de faire procéder à des fabrications spéciales de joints parfaitement adaptés aux conditions particulières précitées. It is certainly also possible to have special manufacturing of seals perfectly suited to the aforementioned special conditions.

Toutefois, il est compréhensible que le coût de tels joints, fabriqués en petite série, est très élevé et que les conditions d'approvisionnement ne sont pas favorables.However, it is understandable that the cost of such seals, produced in small series, is very high and that the supply conditions are not favorable.

L'invention a donc essentiellement pour but de proposer un dispositif d'étanchement répondant aux conditions particulières précitées, qui puisse être réalisé sans contrainte technique à partir de joints couramment disponibles dans le commerce, avec un coût faible et un montage facile, qui ne nécessite pas de modifications importantes au niveau des portées de support, voire qui puisse être positionné en lieu et place de joints traditionnels ne donnant pas satisfaction, dans les mêmes cotes d'encombrement que ceux-ci. The invention therefore essentially aims to provide a sealing device meeting the aforementioned special conditions, which can be produced without technical constraint from seals commonly available on the market, with low cost and easy assembly, which does not require no significant modifications to the level of the support spans, or even that which can be positioned in place of traditional seals which are not satisfactory, in the same dimensions as these.

A ces fins, un dispositif d'étanchement conforme à l'invention se caractérise essentiellement - en ce qu'il comprend un joint d'étanchement annulaire
à double lèvre, en soi connu, ayant en section
transversale la forme générale d'un U couché ouvert du
côté de la haute pression et constitué en un matériau
élastiquement déformable résistant à l'extrusion, a la
chaleur et aux frottements et ayant un faible
coefficient de frottement, - en ce qu'un ressort annulaire ou analogue entoure la
lèvre annulaire interne et la maintient plaquée contre
la surface de l'arbre, ce ressort ayant une dimension
transversale inférieure ou égale a la distance
séparant les deux faces respectives en regard des deux
lèvres, - et en ce qu'une bague annulaire de pression élastique
entoure la lèvre externe et est interposée de façon
étanche entre cette lèvre externe et une portée
annulaire de support située en regard de celle-ci.For these purposes, a sealing device according to the invention is essentially characterized - in that it comprises an annular sealing joint
double lip, in itself known, having in section
transverse the general shape of an open lying U of the
high pressure side and made of a material
elastically deformable, resistant to extrusion,
heat and friction and having low
coefficient of friction, - in that an annular spring or the like surrounds the
internal annular lip and keeps it pressed against
the surface of the shaft, this spring having a dimension
transverse less than or equal to the distance
separating the two respective faces opposite the two
lips, - and in that an annular ring of elastic pressure
surrounds the outer lip and is interposed so
watertight between this outer lip and a bearing
support ring located opposite it.

De la sorte, les efforts exercés sur les deux lèvres sont en grande partie dissociables : en agissant sur la longueur du ressort, on intervient directement et uniquement sur le serrage de la lèvre interne, tandis que le serrage de la lèvre externe est obtenue de façon indépendante, par un choix approprié des dimensions de la bague annulaire précitée. Cette différenciation des efforts exercés sur les lèvres et des fonctions assurées par ces lèvres conduit à l'assurance d'un étanchement parfait, même dans le cas d'un arbre de petit diamètre tournant å grande vitesse, et meme dans le cas où cet arbre subit des déplacements radiaux (transversaux) puisque la lèvre intérieure conserve sa souplesse et reste bien appliquée sur la surface de l'arbre. In this way, the forces exerted on the two lips are largely dissociable: by acting on the length of the spring, one intervenes directly and only on the tightening of the internal lip, while the tightening of the external lip is obtained so independent, by an appropriate choice of the dimensions of the abovementioned annular ring. This differentiation of the forces exerted on the lips and of the functions performed by these lips leads to the assurance of perfect sealing, even in the case of a small diameter shaft rotating at high speed, and even in the case where this tree undergoes radial (transverse) displacements since the inner lip retains its flexibility and remains well applied to the surface of the tree.

De préférence, la dimension transversale du ressort annulaire est sensiblement égale à la distance séparant les deux forces respectives en regard des deux lèvres ; de la sorte, par son diamètre extérieur, le ressort sert d'appui à la lèvre externe du joint, sans toutefois exercer un quelconque effort sur celle-ci. Preferably, the transverse dimension of the annular spring is substantially equal to the distance separating the two respective forces facing the two lips; in this way, by its outside diameter, the spring serves to support the external lip of the seal, without however exerting any force on the latter.

Avantageusement, la bague annulaire de pression élastique est constituée en un matériau élastiquement déformable, notamment en élastomère Perbunan ou Viton. Advantageously, the annular elastic pressure ring is made of an elastically deformable material, in particular of Perbunan or Viton elastomer.

Il est également avantageux que le ressort annulaire entourant la levure intérieure soit un ressort spiral annulaire, de manière que les efforts exercés par celui-ci sur la lèvre intérieure soient régulièrement et uniformément répartis sur toute la périphérie de l'arbre
De préférence, le dispositif d'étanchement comporte en outre une rondelle de soutien disposée en arrière du joint et sur laquelle prend appui le talon du joint. De façon souhaitable, cette rondelle de soutien possède sur au moins une de ses faces, une surface annulaire munie de reliefs sur lesquels s'incruste le matériau du talon du joint, ce grâce à quoi le joint est bloqué en rotation ; les reliefs peuvent comprendre des stries sensiblement radiales.It is also advantageous for the annular spring surrounding the inner yeast to be an annular spiral spring, so that the forces exerted by the latter on the inner lip are regularly and uniformly distributed over the entire periphery of the shaft.
Preferably, the sealing device further comprises a support washer disposed behind the joint and on which the heel of the joint bears. Desirably, this support washer has on at least one of its faces, an annular surface provided with reliefs on which the material of the heel of the joint is embedded, whereby the joint is locked in rotation; the reliefs may include substantially radial streaks.

On peut également prévoir une rondelle de blocage en avant du joint (côté haute pression) et une rondelle de blocage en arrière du joint ou de la rondelle de soutien. It is also possible to provide a locking washer in front of the seal (high pressure side) and a locking washer behind the seal or the support washer.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit d'un mode de. réalisation détaillé donné uniquement à titre d'exemple non limitatif. Dans cette description on se réfère au dessin annexé sur lequel
- la fig. 1 est une vue en coupe diamétrale d'un arbre tournant équipé d'un dispositif d'étanchement conforme à l'invention ; et
- la fig. 2 est une vue de face, a échelle différente, d'une rondelle de soutien incluse dans le dispositif d'étanchement montré à la fig. 1.The invention will be better understood on reading the detailed description which follows of a mode. detailed realization given only by way of nonlimiting example. In this description, reference is made to the appended drawing in which
- fig. 1 is a diametrical sectional view of a rotating shaft equipped with a sealing device according to the invention; and
- fig. 2 is a front view, on a different scale, of a support washer included in the sealing device shown in FIG. 1.

La référence 1 désigne une paroi de carter de machine renfermant un fluide sous pression élevée (à droite sur la fig. 1), qui est munie d'une ouverture 2 pour le passage d'un arbre 3, pouvant avoir un diamètre réduit et tourner à grande vitesse. Un dispositif d'étanchement 4 est interposé entre l'arbre 3 et une portée 4 de support délimitant l'ouverture 2, pour assurer l'étanchéité de la traversée de l'arbre 3. Reference 1 designates a machine housing wall containing a fluid under high pressure (on the right in FIG. 1), which is provided with an opening 2 for the passage of a shaft 3, which can have a reduced diameter and rotate high speed. A sealing device 4 is interposed between the shaft 3 and a support surface 4 delimiting the opening 2, to seal the crossing of the shaft 3.

Le dispositif d'étanchement 4 comprend un joint annulaire d'étanchement 6 à double lèvre (avec une lèvre intérieure 7 appuyée sur l'arbre 3 et une lèvre extérieure 8) ; ce joint a donc, en section transversale, la forme générale d'un U couché ouvert du côté de la haute pression. Il est constitué en un matériau élastiquement déformable relativement souple, résistant à l'extrusion, à la chaleur et aux frottements et ayant un faible coefficient de frottement, par exemple en TEFLON qui possède des caractéristiques favorables d'autolubrification. Un tel joint est connu en soi et est couramment disponible dans le commerce. The sealing device 4 comprises an annular sealing joint 6 with a double lip (with an inner lip 7 supported on the shaft 3 and an outer lip 8); this joint therefore has, in cross section, the general shape of a coated U open on the high pressure side. It is made of an elastically deformable material which is relatively flexible, resistant to extrusion, to heat and to friction and having a low coefficient of friction, for example TEFLON which has favorable characteristics of self-lubrication. Such a seal is known per se and is commonly available commercially.

Un ressort spiral annulaire 9 (ou tout autre organe analogue) entoure la lèvre intérieure 7 et la maintient plaquée contre la surface de l'arbre 3. Le diamètre du ressort 9 est inférieur ou égal à la distance séparant les deux lèvres 7 et 8, de telle manière qu'il ne soit pas en contact avec la lèvre extérieure 8 et qu'il n'influe pas sur le comportement de celle-ci. An annular spiral spring 9 (or any other similar member) surrounds the inner lip 7 and keeps it pressed against the surface of the shaft 3. The diameter of the spring 9 is less than or equal to the distance separating the two lips 7 and 8, in such a way that it is not in contact with the outer lip 8 and that it does not influence the behavior of the latter.

Enfin, une bague annulaire de pression élastique 10, constituée en un matériau élastiquement déformable, par exemple en élastomère Perbunan ou Vison, entoure la lèvre extérieure 8 et est interposée entre celle-ci et la portée annulaire 5. Finally, an annular elastic pressure ring 10, made of an elastically deformable material, for example of Perbunan or Mink elastomer, surrounds the outer lip 8 and is interposed between the latter and the annular bearing 5.

Une rondelle de soutien 11 est disposée en arrière du joint 6 (c'est-à-dire du côté opposé à la haute pression) et le talon 12 du joint (ctest-à-dire la base du U reliant les deux lèvres) est en appui sur cette rondelle. Comme visible à la fig. 2, une zone annulaire centrale 13 d'une des faces de la rondelle de soutien 11 est munie de reliefs sur lesquels s'incruste le matériau du talon 12 du joint. Comme représenté, ces reliefs peuvent comporter des stries sensiblement radiales. Grâce à cet agencement, le joint 6 est solidarisé en rotation à la rondelle de soutien 11 et ne peut plus tourner sous l'action d'entrainement de l'arbre 3 en rotation. A support washer 11 is arranged behind the seal 6 (that is to say on the side opposite to the high pressure) and the heel 12 of the seal (that is to say the base of the U connecting the two lips) is resting on this washer. As shown in fig. 2, a central annular zone 13 of one of the faces of the support washer 11 is provided with reliefs on which the material of the heel 12 of the joint is embedded. As shown, these reliefs may include substantially radial ridges. With this arrangement, the seal 6 is secured in rotation to the support washer 11 and can no longer rotate under the driving action of the shaft 3 in rotation.

Une rondelle de blocage axial 14 est disposée en arrière du joint 6 ou, lorsque celle-ci existe, en arrière de la rondelle de soutien 11. La rondelle de blocage 14 est élastiquement déformable radialement et est engagée partiellement dans une gorge annulaire 15 creusée dans la portée annulaire 5. An axial locking washer 14 is disposed behind the seal 6 or, when the latter exists, behind the support washer 11. The locking washer 14 is elastically deformable radially and is partially engaged in an annular groove 15 hollowed out in the annular bearing 5.

En avant du joint, l'ouverture 2 présente un épaulement annulaire radial de retenue 16. Dans le cas d'un carter en un matériau coulé sous pression, une seconde rondelle de blocage axial 17 est disposée en avant du joint, entre celui-ci et l'épaulement 16 (cas représenté à la fig. 1). Dans les autres cas (avec un passage d'arbre ayant un diamètre inférieur à environ 23 mm), le joint 6 peut prendre appui vers l'avant directement contre la surface de l'épaulement 16. In front of the seal, the opening 2 has an annular radial retaining shoulder 16. In the case of a casing made of a die-cast material, a second axial locking washer 17 is disposed in front of the seal, between the latter and the shoulder 16 (case shown in FIG. 1). In the other cases (with a shaft passage having a diameter of less than about 23 mm), the seal 6 can bear forward directly against the surface of the shoulder 16.

Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus particulièrement envisagés elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. As goes without saying and as it already follows from the above, the invention is in no way limited to those of its modes of application and embodiments which have been more particularly envisaged, it embraces, on the contrary, all variants.

Claims

1. Annular sealing device (4) for a rotating shaft (3), in particular a rotating shaft at high speed, this device having to be able to withstand significant pressures in dynamic and static operation, characterized: - in that it comprises a annular seal

(6) double lip (7, 8), known per se, having in

cross section the general shape of a lying U

open on the high pressure side and made up of a

relatively flexible elastically deformable material,

resistant to extrusion, heat and rubbing

and having a low coefficient of friction, - in that an annular spring (9) or the like surrounds

the internal annular lip (7) and keeps it pressed

against the surface of the shaft (3), this spring having a

transverse dimension less than or equal to the

distance between the two opposite faces

of the two drunks (7, 8), - and in that an annular ring of elastic pressure

(10) surrounds the outer lip (8) and is interposed

tightly between this external lip (8) and a

annular support surface (5) located opposite

this one.

2. A roughing device according to claim 1, characterized in that the transverse dimension of the annular spring (9) is substantially equal to the distance separating the two respective faces opposite the two lips (7,8).

3. Sealing device according to claim 1 or 2, characterized in that the annular elastic pressure ring (10) is made of an elastically deformable material.

4. Sealing device according to claim 3, characterized in that the annular elastic pressure ring (10) is made of elastomer.

5. Sealing device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the annular spring (9) surrounding the inner lip is an annular spiral spring.

6. Sealing device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that it further comprises a support washer (11) disposed behind the seal (6) and on which the heel (12 ) of the joint.

7. A sealing device according to claim 6, characterized in that the support washer (11) has on at least one of its faces, an annular surface (13) provided with reliefs on which the heel material is embedded ( 12) of the seal, whereby the seal (6) is blocked in rotation.

8. A sealing device according to claim 7, characterized in that the reliefs comprise substantially radial grooves.

9. Sealing device according to any one of claims 1 to 8, characterized in that it further comprises an axial locking washer (14) located behind the seal (6) or the support washer (11 ).

10. Sealing device according to claim 9, characterized in that the rear axial locking washer (14) is elastically deformable radially and in that it is partially engaged in an annular gutter (15) hollowed in the annular bearing of support (5).

11. Sealing device according to one. any one of claims 1 to 10, characterized in that it further comprises an axial locking washer (17) located in front of the seal.

12. Sealing device according to claim 11, characterized in that the front axial locking washer (17) is in abutment against an annular radial shoulder (16) of the annular support surface (5).