FR2751045A1

FR2751045A1 - Dynamic seal between two moving parts

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Publication number: FR2751045A1
Application number: FR9608809A
Authority: FR
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-07-15
Filing date: 1996-07-15
Publication date: 1998-01-16
Anticipated expiration: 2016-07-15
Also published as: FR2751045B1

Abstract

The dynamic seal is placed in an annular housing (2) in a first part (3) which moves relative to a second part (4). The seal lip (5) is supported on the second piece to ensure sealing. The annular seal has one part (6) with an inverted L shape. The vertical portion of the L forms the lip and the horizontal portion (7) is deformable under pressure forces. The housing has a cavity (8) in which the end portions of the L are supported such that pressure variations cause bending of the horizontal portion and rotational displacement of the lip. Sealing between the upper faces of the horizontal part of the L and the housing is formed by an annular inverted U section (12). One U leg supports and seals with its lip (13) the upper part of the L horizontal portion. The other leg supports and seals with its lip (14) the upper part of the housing.

Description

GARNITURE D'ETANCHEITE A LEVRE DYNAMIQUE AUTO-ADAPTATIVE
L'invention concerne une garniture d'étanchéité entre deux pièces de même nature géométrique en mouvement relatif de translation l'une par rapport à l'autre et/ou entre deux pièces coaxiales en mouvement relatif de rotation l'une par rapport à l'autre pour une utilisation à haute température et/ou dans des conditions de pression et/ou de vitesse élevées.SELF-ADAPTIVE DYNAMIC LIP SEAL
The invention relates to a seal between two parts of the same geometrical nature in relative movement of translation with respect to each other and / or between two coaxial parts in movement of relative rotation with respect to the other for use at high temperature and / or under conditions of high pressure and / or speed.

L'étanchéité est une fonction qui revêt 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. Sealing is a function which is becoming increasingly important in mechanics, as a result, on the one hand, of the increasing use of fluids for controls (hydraulic, pneumatic) and for controls and, on the other part, the very large number and the great diversity of mechanical components. The confinement of a gas or a liquid, by its nature, is not easy.

Une fuite, même 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.Even a small leak can have multiple consequences, both in terms of the availability of equipment and in terms of operation and also safety. Current examples show that very complex assemblies can experience significant trouble as a result of a simple leak.

On distingue deux types d'étanchéité: - en statique, la jonction doit être généralement démontable, au moins de temps à autre; les surfaces assemblées sont variées: plans, sphères, cylindres, cônes, etc. There are two types of sealing: - in static, the junction must be generally removable, at least from time to time; the assembled surfaces are varied: planes, spheres, cylinders, cones, 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 même nature géométrique.- In dynamics, the junction is such that one of the two surfaces is movable relative to the other, these surfaces often being of the same geometrical nature.

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. The seals for parts in translation or in rotation with respect to each other find application in a very wide field, from the piston of the internal combustion engine to the jacks or to the turbine shafts.

L'étanchéité des surfaces en mouvement relatif doit, le plus généralement, être obtenue aussi bien à l'arrêt 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 être inférieur à la température maximale d'utilisation des matériaux. The tightness of surfaces in relative movement must, most generally, be obtained both when stationary and whatever the speed of movement of these surfaces, by being the source only of the most reduced efforts possible. There are many existing solutions depending on the type of use, but they are limited in speed, pressure or temperature. Indeed, the seal must ensure a seal between the two parts with a pressure difference between its two faces. This pressure difference generates a friction force which, associated with the relative displacement of the two parts, gives off heat. This release of heat, by increasing the temperature of the assembly, causes friction forces due to the expansion of the parts in contact, forces which in turn increase the temperature until a temperature equilibrium is obtained which must be less than the maximum temperature of use of materials.

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. The seal in translational movement is most often resolved with a seal which, integral with one of the two surfaces, will come into contact with the other surface and therefore rub on the latter.

L'étanchéité devant être assurée aussi à l'arrêt, 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.The seal must also be ensured when stationary, this seal, in addition to the characteristics of a static seal, must have the best possible characteristics in friction, that is to say:
- minimum displacement resistance,
- negligible wear.

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.).Friction produces heat which is often detrimental to service life. However, it should be noted that in translation the surface in sliding contact with the seal is renewed, which facilitates thermal flow. The resistance to displacement and wear is a function of numerous parameters, the main ones being
- the nature of the seal material,
- the nature of the material of the rubbing surface,
- the speed of movement,
- pressure,
- the fluid to be sealed,
- the quality of the moving surface (hardness, roughness, 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 2000C, 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.Elastomers are used a lot in this type of joint despite a fairly high coefficient of friction and poor thermal conductivity. With elastomers, it is absolutely essential to lubricate the seal. The families mainly employed are:
- nitriles, especially with mineral oils
- silicones for temperatures up to 2000C, but they are not very resistant to wear;
- fluorinated products also for temperatures up to 200 "C; they can be used with many chemicals and have good mechanical qualities
- polyurethane must be added, very resistant to wear, but sensitive to a certain number of liquid fluids, in particular water.

Il est important de remarquer que la matière du joint en contact avec la surface frottante s'échauffe; par suite, sa température risque d'être 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. It is important to note that the material of the seal in contact with the friction surface heats up; consequently, its temperature may be higher than the temperature of the fluid. If the latter is close to the limit temperature for using the elastomer, there is a risk of deterioration. This is also true for other materials, especially since their coefficient of thermal conductivity is low. Polyamides are used quite often because they have a relatively low coefficient of friction. As these materials are also very poor conductors of heat, they are often loaded with powders of graphite or molybdenum disulphide (which further lower the coefficient of friction) and with fine metallic particles (copper, lead, etc.), but more interesting is the PTFE whose coefficient of friction is very low (0.1 to 0.05). PTFE also makes it possible to work in fluids up to 250 "C and, loaded with graphite or molybdenum disulphide, it can operate with very low lubrication, even absent, under conditions of pressure and speed however moderate.

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 même à température élevée ( 400 C dans l'air). On utilise parfois l'amiante en association avec le
PTFE.Metals, except for the segments, are little used, due to their tendency to seize up. Here too, lubrication is very important and absolutely essential. Cast iron and bronze are the two most common materials. Graphite is a material used enough for its low coefficient of friction, for its good thermal transfer and for its great chemical inertia even at high temperature (400 C in air). Asbestos is sometimes used in combination with
PTFE.

Dans les moteurs à combustion interne et les compresseurs l'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.In internal combustion engines and compressors, sealing is achieved by split segments. The sealing rings have a rectangular cross section and their gas tightness mission is ensured
- by pressing their external face against the cylinder.

- par appui de leur face inférieure contre la gorge du piston. - by pressing their lower face against the piston groove.

Pour que l'étanchéité soit bonne, l'ouverture à la coupe nécessaire pour créer l'élasticité indispensable à l'application du segment sur le cylindre, doit être 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.For the seal to be good, the opening to the cut necessary to create the elasticity essential for the application of the segment on the cylinder, must be as small as possible. The cutting of the segment leaves a passage of hot gases along the piston causing the oil pollution and the heating of the piston; moreover, it causes rapid wear of the top of the cylinder by the introduction of abrasive particles. In general, three cut segments are necessary to ensure sufficient tightness and all manufacturers strive to limit the number of these segments, due to the harmful influence they exert on the mechanical efficiency of the engine. One can, indeed, count on the fact that each segment lowers by 104 Pa the effective average pressure developed by engine.

La dispersion non négligeable de différentes pertes par frottement dans les moteurs à combustion interne n'empêche pas de remarquer que, presque la moitié de ces pertes provient de l'ensemble piston-segments.The significant dispersion of different friction losses in internal combustion engines does not prevent us from noticing that almost half of these losses come from the piston-ring assembly.

Les pertes affectées aux segments seuls représentent la majeure partie dans les systèmes convenablement optimisés.The losses allocated to the segments alone represent the major part in suitably optimized systems.

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 l'étanchéité est pratiquement toujours la même. 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 être beaucoup plus élevées. De plus, l'étanchéité peut être réalisée, soit directement sur l'arbre ( joints radiaux), soit en dehors de l'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.What fundamentally differentiates joints for rotary movements from those for translation is the fact that the mobile surface on which they seal is almost always the same. This has very important consequences from the point of view of wear, development and heat dissipation. In addition, the speeds reached can be much higher. In addition, sealing can be carried out either directly on the shaft (radial joints), or outside the shaft in dynamics but in a direction parallel to the axis of the shaft (axial joints). A joint for rotary movement which is used under conditions of peripheral speed of rotation and under a determined fluid pressure can function with other characteristics provided that the product (pressure. Speed) equal to a constant, product designated by
PV (expressed in Mpa. M. S). This is only true under well-defined conditions, in particular lubrication, hardness and roughness of the shaft, etc., and for a well-defined service life. In addition, there is a limit for pressure and for speed. The O-ring with circular section is suitable for slow speeds (less than 0.5 ms ~ l) and for high pressures (up to 10 Mpa). The order of magnitude of the PV factor is 1 for lifetimes of the order of 200 to 500 h and 0.1 for durations of the order of 5000 h, this with abundant lubrication with oil and with a shaft diameter of approximately 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 être très faible. Le facteur PV des joints à lèvre dépend de l'élastomère utilisé. Il est de l'ordre de 0,5 pour des joints en nitrile avec une vitesse périphérique maximale de 15 m. s-í et de 1,5 pour des joints en élastomère fluoré avec une vitesse maximale de 25 m. Lip seals are very common. they consist of a metal frame of L-shaped section on which an elastomer part is molded. The seal takes place on the lip, the section of which in contact with the shaft must be very small. The PV factor of lip seals depends on the elastomer used. It is around 0.5 for nitrile seals with a maximum peripheral speed of 15 m. s-í and 1.5 for fluorinated elastomer seals with a maximum speed of 25 m.

Leur tenue en pression est très faible, normalement inférieure à 0,05 Mpa.Their pressure resistance is very low, normally less than 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.However it is possible to make them work up to 1 Mpa, the speeds then not exceeding a few meters per second.

Les performances les plus élevées en P.V. appartiennent aux garnitures mécaniques. Une garniture mécanique est un ensemble mécanique assurant l'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. The highest performance in P.V. belongs to mechanical seals. A mechanical seal is a mechanical assembly ensuring sealing in rotation by two flat surfaces normal to the axis of rotation and animated by a relative movement of one with respect to the other. The functioning of a mechanical seal is satisfactory provided that certain requirements are met. The first is that of proper lubrication. The linings allow very high performance, depending on the precision of their production, the nature of the materials and therefore ultimately their price.

I1 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.It is possible to classify them into three categories
- common applications: PV up to 1;
- applications with good performance: PV up to 20;
- applications with very high characteristics: PV up to 300.

Le rapport de prix entre les premières et les dernières peut ailer jusqu'à un facteur de 100, à taille égale.The price ratio between the former and the latter can range up to a factor of 100, for the same size.

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 lèvre ou à chevron. For low ambient temperatures, the effects due to expansion are minimized by using deformable materials such as elastomers or plastics, and by using flexible forms if necessary such as in lip or rafter joints.

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 l'axe de rotation, mais en translation il n'y pas de solutions satisfaisantes. Pour avoir une étanchéité absolue, le joint doit etre continu et ceci entraîne par dilatation des frictions importantes limitant les vitesses de déplacement. Pour avoir des vitesses plus élevées il faut sacrifier l'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. For high ambient temperatures, these materials are replaced by metals but then the problem of expansion becomes critical. For rotating parts, so-called mechanical seals can be produced where the contacting faces are perpendicular to the axis of rotation, but in translation there are no satisfactory solutions. To have an absolute seal, the joint must be continuous and this results in dilation of the significant frictions limiting the speeds of movement. To have higher speeds it is necessary to sacrifice sealing. For turbines, a labyrinth system is used which, by not putting the parts in contact, allows very high speeds with a permanent leak of the fluid which must be sealed.

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 l'étanchéité se fait alors en augmentant le nombre de joints, mais ceci se fait au détriment du rendement de la machine. For internal combustion engines or piston compressors, expansion is eliminated by using split rings but, there too, there is a permanent leak with pollution problems. Improving the seal is then done by increasing the number of seals, but this is at the expense of the performance of the 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, l'invention peut fournir, pour des modes de réalisation particuliers, des moyens de compensation en température permettant de travailler à haute température. The object of the invention is to provide a continuous mechanical seal capable of working at high speeds with absolute tightness, and also, since the materials constituting it can rise to higher temperatures than elastomers, to improve the PV product and d '' widen the field of use. In addition, the invention can provide, for particular embodiments, temperature compensation means making it possible to work at high temperature.

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 être 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 1 10-6. De plus, la partie frottante de la garniture peut bénéficier d'un traitement de surface anti-usure offrant une palette extrêmement variée de procédés s'appliquant non seulement aux métaux et alliages métalliques mais aussi aux polymères, aux composites, aux céramiques, etc. Il 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.According to the invention this object is achieved by means of pressure compensation keeping the friction force substantially constant when the pressure increases. In addition, temperature compensation means can be added which, despite expansion, keep the support diameter constant. Preferably, the temperature compensation means are produced by using pairs of materials with a coefficient of different thermal expansion such as alloys of steel, titanium, aluminum, with a coefficient of thermal expansion varying between 8 to 24 1 10-6. In addition, the rubbing part of the lining can benefit from an anti-wear surface treatment offering an extremely varied range of processes applying not only to metals and metal alloys but also to polymers, composites, ceramics, etc. These are, for example, vapor phase deposits, either chemically CVD or physically PVD. For deposits
PVD and CVD we highlight the very good resistance to wear and the very good coefficient of friction of DLC deposits (Diamond-like carbon). A lining thus constructed is removed from the seizing phenomenon.

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. A seal designed in accordance with the invention has a number of advantages. By its pressure compensation it makes it possible to reduce the friction forces at high pressures and therefore to reduce wear and improve efficiency. Furthermore, to guarantee the elasticity of the lining in the radial direction, the lip is as thin and elastic as possible. In addition to the shape of the gasket characterized by a particularly judicious section, provision is made in materials with Young's modulus which vary greatly, starting with polymers and ending with steel alloys or ceramics.

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. By its possibility of temperature compensation, it makes it possible to eliminate the problem posed by expansion in the metal seals and thus to obtain a tight seal, which is currently resolved only for very low speeds and for the seals mechanical only usable in rotation.

De façon plus précise, l'invention concerne une garniture d'étanchéité mécanique continue à lèvre destinée à être 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 l'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. More specifically, the invention relates to a continuous mechanical seal with lip intended to be placed in a generally toroidal-shaped housing located in a first part in relative movement with respect to a second part, the lip being supported on the second part so as to ensure the seal between the lining and the second part, the lining being characterized in that it comprises pressure compensation means such that, under the effect of a pressure variation occurs a deformation of the lining causing a slight movement of the lip in abutment on the second part so as to maintain approximately constant the force of abutment of the lip on the second part.

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.If necessary, the lining may include means for compensating for the force due to the temperature. These means act on the movement of the lip
The invention is described in more detail below with the aid of the appended drawings in which:
Figures 1 and 2 are sections showing piston-cylinder-packing assemblies in relative movement of translation and / or rotation.

La figure 3 est une coupe de la garniture dans la gorge du piston présentant une forme de réalisation de l'invention. Figure 3 is a section of the packing in the groove of the piston showing an embodiment of the 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. Figure 4 is a section of the gasket in the groove of the piston showing another embodiment of the invention with temperature compensation.

La figure 5 représente une autre forme de réalisation de l'invention avec la garniture en une seule pièce. Figure 5 shows another embodiment of the invention with the liner in one piece.

La figure 6 représente une coupe de la garniture avec la garniture en élastomère et métal. Figure 6 shows a section of the lining with the elastomer and metal lining.

Les figures 7 et 8 représentent la garniture avec une partie de l'étanchéité réalisée par un joint torique. Figures 7 and 8 show the gasket with part of the seal produced by an O-ring.

La figure 9 représente une autre variante de réalisation avec utilisation d'une lèvre d'étanchéité solidaire du piston. FIG. 9 shows another alternative embodiment with the use of a sealing lip secured to the piston.

La figure 10 représente une autre variant de réalisation avec une partie de l'étanchéité réalisée par un joint métallique en forme de C. FIG. 10 represents another variant embodiment with part of the seal produced by a C-shaped metal seal.

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. According to Figures 1 and 2 illustrating uses of the invention, the seal is placed in a groove 2 of a preferably toroidal shape with rectangular section. The groove 2 is made in the piston or in the cylinder. According to the embodiment shown in Figures 1 and 2 the packing in a general case is housed in a groove with a certain radial clearance. This gasket separates the two volumes A and B on either side of the piston and of the cylinder in a sealed manner.

Ainsi qu'il ressort de la figure 3, l'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.As is clear from FIG. 3, the invention relates to a continuous seal with a lip of generally toric shape, FIG. 3 showing only the section of the torus made up of the following elements:
an assembly 6 in the shape of an inverted L with a lip 5 resting on the part 4 and a horizontal part 7 resting on the two ends of the recess 8 hollowed out in the housing 2 of the part 3 and
an assembly 12 in the shape of an inverted U with a leg whose lip 13 bears on the upper face of the horizontal part 7 and a leg whose lip 14 bears on the upper face of the housing 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 l'étanchéité dans un plan transversal à l'axe du piston ou l'axe de rotation de l'arbre. The lip 5 is provided with a thin anti-wear layer obtained by the CVD and PVD deposition techniques, arranged so that it exerts a minimum pressure but sufficient to ensure sealing in a plane transverse to the axis of the piston. or the axis of rotation of the shaft.

Le mode de réalisation de la figure 3 comporte donc des moyens de compensation en pression constitués par les éléments 5, 7 et 8. The embodiment of FIG. 3 therefore comprises pressure compensation means constituted by the elements 5, 7 and 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.In fact, when the differential pressure applied between volumes A and B increases, it produces a force F on the horizontal part 7 bearing on the edges of the recess 8, which causes it to flex downwards and causes a movement of rotation of the lip 5 in the direction of the arrow
E opposing the increase in the contact pressure of the lip 5 on the contact surface of the part 4. The toric part 12 with an inverted U-shaped section seals between the lining 6 and the part 3 by its two lips 13 and 14. It is also understood that if the differential pressure between the volume A and B decreases, the movement of the lip 5 occurs in the opposite direction to the arrow E, thus maintaining the contact force of lip 5 on part 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 lèvre 5 sensiblement constant et indépendant de la pression.Unlike a conventional lip seal instead of having a bearing effect on the cylinder or on the piston in proportion to the pressure, the contact force can be maintained at the level of the lip 5 substantially constant and independent of the pressure. .

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 l'insert 11. Lorsque la température augmente, la garniture se dilate, augmentant ainsi son diamètre, ce qui modifie la pression de contact de la lèvre 5 sur la pièce 4. A cet effet, l'insert 1 1 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 20 entre l'insert 11 et la partie horizontale 7 permet comme précédemment la flexion de la partie horizontale 7 sous l'effet de la pression. FIG. 4 shows another embodiment with pressure compensation identical to that of FIG. 3 but with temperature compensation constituted by the insert 11. When the temperature increases, the seal expands, thereby increasing its diameter, this which changes the contact pressure of the lip 5 on the part 4. For this purpose, the insert 1 1 with a coefficient of thermal expansion greater than that of the ring 6, elongates more than the horizontal part 7 of the ring 6 and as it is embedded in this part this causes it to flex and causes the lip 5 to rotate as in the case of the pressure presented above. A clearance 20 between the insert 11 and the horizontal part 7 allows, as before, the bending of the horizontal part 7 under the effect of the pressure.

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. The invention, with its pressure compensation and, if necessary, its temperature compensation, makes it possible to establish, in operation, a contact pressure allowing the installation of a film of lubricant. The invention makes it possible to obtain a bearing force of the lip 5 just sufficient to ensure the seal whatever the pressure and the temperature and consequently to reduce the friction forces with the consequences of reducing wear, decrease losses due to friction and increase the speed range.

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.FIG. 5 represents a variant of the embodiment of FIG. 4, the ring 6 being extended by the lip 15 in contact with the upper face of the groove 2 to ensure sealing between the volumes
A and B and the lip 5 extended downward to form a bearing surface 9 on the underside of the groove 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. When the pressure applied to the volume A increases, it produces a force F on the horizontal part 7 of the ring 6 making it pivot around the surface 9 in the direction of the arrow E, the rotational movement of the lip 5 s opposing the increase in contact pressure as in FIG. 4. In the event of a decrease in pressure, the rotational movement takes place in the other direction.

L'espace 10 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. The space 10 between the bottom of the ring 6 and the lower part of the groove 2 allows easy pivoting of the ring around the bearing surface 9. The insert 11 as in FIG. 4 allows temperature compensation.

La figure 6 représente une autre forme de réalisation sans compensation thermique dans laquelle la garniture 6 est réalisée en deux parties, l'une en élastomère 16 et l'autre 17 en métal. L'étanchéité entre la partie supérieure de la gorge 2 et la garniture 6 est réalisée par la lèvre en élastomère 15 et l'étanchéité entre la pièce 4 et la garniture 6 est réalisée par la lèvre 5 qui peut être en élastomère comme sur la figure 6 ou en métal. FIG. 6 shows another embodiment without thermal compensation in which the lining 6 is made in two parts, one made of elastomer 16 and the other 17 made of metal. The seal between the upper part of the groove 2 and the lining 6 is produced by the elastomer lip 15 and the seal between the part 4 and the lining 6 is produced by the lip 5 which can be made of elastomer as in the figure 6 or metal.

Les figures 7 et 8 représentent d'autres formes de réalisation de la garniture où l'ensemble 12 de la figure 4 a été remplacé par un joint torique à section circulaire assurant l'étanchéité entre la pièce 3 et la garniture 6. FIGS. 7 and 8 show other embodiments of the gasket where the assembly 12 of FIG. 4 has been replaced by an O-ring with circular section ensuring the seal between the part 3 and the gasket 6.

La figure 9 représente une autre forme de réalisation par rapport à la figure 4 dans laquelle l'ensemble 12 a été remplacé par une lèvre 19 faisant partie de la pièce 3 en remplacement de la lèvre 13 de la figure 4. FIG. 9 represents another embodiment with respect to FIG. 4 in which the assembly 12 has been replaced by a lip 19 forming part of the part 3 in replacement of the lip 13 of FIG. 4.

La figure 10 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 l'étanchéité entre la pièce 3 et la garniture 6. Figure 10 shows another embodiment of the gasket where the assembly 12 of Figure 4 has been replaced by a metal seal 21 whose section has the shape of a C ensuring the seal between the part 3 and the gasket 6.

Selon l'invention, les mêmes 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 être assurée automatiquement par autoclavité de la lèvre 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 être 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 empêchant la rotation de la garniture au moment du montage. According to the invention, the same sealing principles are used in the case of axial movements or rotational movements. Indeed, in the case of a packing version with a radial clearance, its immobilization in rotation can be ensured automatically by autoclavity of the lip 7. The torsional resistance torque of the packing at the level of the lip 7 will increase with the pressure , while the resisting torque at the level of the lip 5 will be more constant according to the principle of compensation for the bearing pressure of the lip 5. Preferably, immobilization in torsion can be ensured by the dimensioning of the stiffness of the lips 5 and 7 in such a way that it is never possible to obtain a rotation at the level of the lip 7 first. To make the gasket immobile in rotation, any mechanical stops can be produced preventing the gasket from rotating during assembly.

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 être 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 empêchant 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. Whatever the embodiment adopted, the lining according to the invention is advantageously arranged in such a way that the bearing pressure of the lip can be constant and minimum under all the different pressure and temperature conditions, but sufficient to ensure absolute tightness. A lining thus constructed by relying on the tribological properties of the thin anti-wear layers obtained by CVD and PVD deposition techniques (carbides, nitrides, oxides, carbonitrides, carbon-diamond, doped metals, etc.) is removed from seizing. . In addition, fugitive emissions are reduced, preventing virtually any passage of fluid between the lip and the bearing surface, which can make the lining a very important element in reducing pollution from internal combustion engines, cylinders, turbines. , compressors, etc.

Claims

1. Continuous mechanical seal (1) with lip (5) intended to be placed in a housing (2) generally of annular shape located in a first part (3) in relative movement with respect to a second part (4) , the lip (5) being supported on the second part (4) so as to ensure the seal between the lining (1) and the second part (4), the lining (1) being characterized in that it comprises pressure compensation means such that, under the effect of a pressure variation, there is a deformation of the lining (1) causing a slight movement of the lip (5) bearing on the second part (4) so to maintain approximately constant the bearing force of the lip (5) on the second part (4).

2. A seal according to claim 1 characterized in that the seal (1) has substantially the annular shape, the section of which comprises a part (6) generally having the shape of an inverted L, the vertical portion of the L forming the lip (5) and the horizontal portion (7) being deformable under the effect of pressure so as to obtain the said slight movement, the lining (1) also comprising means for sealing between the upper faces of the portion horizontal (7) of the L and the housing (2) of the part (3).

3. A seal according to claim 2 characterized in that the housing (2) has a recess (8), the ends of the horizontal portion (7) of the L being supported on the edges of the recess (8) so that a variation in pressure causes the horizontal portion (7) to flex, which causes the lip (5) to rotate.

4. A seal according to claim 2 characterized in that the vertical portion of the L extends slightly downward to form a bearing surface (9) on the housing (2) of the first part (3), the part (6) and therefore the lip (5) pivoting around this bearing surface (9) under the effect of the pressure, this pivoting being enabled by the clearance (20) between the housing (2) and the horizontal part (7) of L.

5. A seal according to one of claims 3 and 4 characterized in that the horizontal portion (7) of the L comprises at its base a housing comprising an insert (11) coefficient of thermal expansion greater than that of the part horizontal (7) of the L, a temperature variation causing a bending of the horizontal part (7) of the L and therefore a displacement of the lip (5).

6. A seal according to any one of claims 2 to 5, characterized in that the means for sealing between the upper faces of the horizontal part (7) of the L and the housing (2) are formed d '' an annular part (12) whose section has the shape of an inverted U, the legs of the U being horizontal, one of the legs coming to bear and forming a seal by its lip (13) with the upper part of the portion horizontal (7) of the L and the other leg coming to bear and forming a seal by its lip (14) with the upper part of the housing (2).

7. A seal according to any one of claims 2 to 5, characterized in that the means for sealing between the upper faces of the horizontal part (7) of the L and of the housing (2) are formed by an extension of the horizontal part of the L coming to bear and forming a seal by its lip (15) with the upper part of the housing (2).

8. A seal according to any one of claims 2 to 5, characterized in that the means for sealing between the upper faces of the horizontal part (7) of the L and the housing (2) are formed by 'An O-ring (16) resting on the one hand on the upper part of the horizontal portion (7) of the L and on the other hand on the upper part of the housing (2).

9. A seal according to any one of claims 2 to 5, characterized in that the means for sealing between the upper faces of the horizontal part (7) of the L and of the housing (2) are formed by a tongue (19) at the upper part of the housing (2) and forming part of the first part (3) bearing and forming a seal with the upper part of the horizontal portion (7) of the L.