FR2985558A3 - Dispositif d'etancheite aux fluides entre deux structures en liaison pivot-glissant - Google Patents

Abstract

Un dispositif d'étanchéité aux fluides entre deux structures (10, 11) assemblées par une liaison pivot-glissant, comprend un élément presseur (21) sollicitant en permanence et de manière unidirectionnelle les structures l'une par rapport à l'autre selon une direction d'application d'efforts coïncidant avec l'axe (X) de la liaison pivot-glissant. L'invention porte aussi sur un système rotatif ayant deux structures assemblées par une liaison pivot-glissant mobiles de manière intermittente et sur une vanne d'arrêt pour la circulation d'un fluide, comprenant un tel système rotatif.

Description

Dispositif d'étanchéité aux fluides entre deux structures en liaison pivot-glissant Domaine technique de l'invention L'invention concerne le domaine de l'étanchéité aux fluides entre deux structures assemblées par une liaison pivot-glissant, notamment dans des conditions sévères de température et de pression des fluides. L'invention a pour objet plus particulièrement un dispositif d'étanchéité aux fluides entre deux structures en liaison pivot-glissant, ainsi qu'un système rotatif ayant deux structures assemblées par une liaison pivot- glissant mobiles de manière intermittente. Elle concerne aussi une vanne d'arrêt pour la circulation d'un fluide, comprenant un tel système rotatif, ainsi qu'une ligne d'échappement des gaz émis par un moteur à combustion interne. État de la technique Dans le domaine de la mécanique, il est très fréquent que deux structures soient montées à pivotement l'une par rapport à l'autre au moyen d'une liaison pivot inhibant tout coulissement relatif des structures le long de l'axe de rotation. Lorsqu'une étanchéité est nécessaire vis-à-vis de fluides en présence au niveau des structures, les solutions actuelles sont fréquemment obtenues au moyen d'un joint de type feuille d'acier assurant une étanchéité dynamique. Une étanchéité statique peut aussi être obtenue grâce à un joint en caoutchouc. De tels joints peuvent être remplacés par l'aménagement de chicanes dans au moins l'une des structures. Mais les montages à liaison pivot et les solutions d'étanchéité associées ne sont pas toujours exploitables, notamment dans les cas où la pression et/ou la température des fluides par rapport auxquels l'étanchéité est destinée à agir sont très élevées, par exemple pour des pressions supérieures à plusieurs bars et des températures supérieures à plusieurs centaines de degrés Celsius. Alors, pour s'affranchir des risques de blocages intempestifs du pivotement entre les structures, un montage selon une liaison pivot-glissant entre les structures est nécessaire. La problématique de l'étanchéité reste entière en raison du degré de liberté en translation conférée par une telle liaison, à plus forte raison dans des conditions sévères de température et/ou de pression des fluides. Ces problèmes d'étanchéité sont encore plus délicats dans le cas d'un système rotatif ponctuel destiné à ne pivoter que de manière intermittente et non continue. Les solutions à joint d'étanchéité ou à chicanes sont en outre complexes à implémenter et onéreuses.

Objet de l'invention Le but de la présente invention est de proposer une solution d'étanchéité améliorée entre deux structures montées à liaison pivot-glissant entre elles qui remédie aux inconvénients listés ci-dessus.

Un premier aspect de l'invention concerne un dispositif d'étanchéité aux fluides entre deux structures assemblées par une liaison pivot-glissant, qui comprend un élément presseur sollicitant en permanence et de manière unidirectionnelle les structures l'une par rapport à l'autre selon une direction d'application d'efforts coïncidant avec l'axe de la liaison pivot-glissant.

Le dispositif peut comprendre des surfaces d'étanchéité portées par les structures et destinées à venir en contact selon la direction d'application d'efforts, l'élément presseur sollicitant les surfaces d'étanchéité l'une vers l'autre. L'élément presseur peut être constitué par une rondelle élastique conique. Le dispositif peut comprendre des surfaces d'appui portées par les structures et contre lesquelles les extrémités axiales de la rondelle élastique conique viennent en contact selon la direction d'application d'efforts. Un deuxième aspect de l'invention concerne un système rotatif ayant deux structures assemblées par une liaison pivot-glissant mobiles de 15 manière intermittente, ce système comprenant un tel dispositif d'étanchéité assurant l'étanchéité entre les structures. Un troisième aspect de l'invention concerne une vanne d'arrêt pour la circulation d'un fluide, comprenant un tel système rotatif où les structures 20 comprennent respectivement un boisseau et un boitier dans lequel le boisseau est monté à liaison pivot-glissant de manière que le boisseau varie par pivotement par rapport au boitier entre une position d'ouverture et une position de fermeture, respectivement en communication fluidique ou non avec un passage de sortie ménagé dans le boitier. 25 Le sens d'application des efforts sur le boisseau par l'élément presseur peut avantageusement être tel que lesdits efforts tendent à s'opposer à un soulèvement axial du boisseau par rapport au boitier en cas de circulation fluidique à travers le boisseau dans sa position d'ouverture. 30 2 9 85 5 5 8 4 L'élément presseur peut également être configuré de sorte que sa caractéristique liée au rapport entre la déformation axiale et les efforts axiaux est telle que le soulèvement du boisseau est inhibé dans une plage de pression du fluide traversant le boisseau comprise entre 3 et 5 5 bars environ. Un quatrième aspect de l'invention concerne une ligne d'échappement des gaz émis par un moteur à combustion interne, qui comprend une telle vanne d'arrêt alimentant, en position d'ouverture du boisseau, une 10 branche de dérivation reliant un collecteur d'échappement et un filtre à particules contenues dans les gaz. L'élément presseur peut avantageusement être configuré de sorte que sa caractéristique liée au rapport entre la déformation axiale et les efforts axiaux est telle qu'un soulèvement axial du boisseau par rapport au boitier est inhibé dans une plage de pression des gaz traversant le boisseau comprise entre 3 et 5 bars environ. L'élément presseur peut aussi être conçu de sorte à résister à une 20 température des gaz traversant le boisseau comprise dans une plage de température entre 500 et 1000°C environ. La vanne d'arrêt peut en outre incorporer au moins partiellement de la graisse de type bisulfure de molybdène. 25 La ligne d'échappement peut comprendre un mécanisme d'actionnement commandant la variation de la vanne d'arrêt entre les positions de fermeture et d'ouverture.

Enfin, un dernier aspect de l'invention concerne un véhicule automobile comprenant un groupe motopropulseur à moteur à combustion interne et ayant une telle ligne d'échappement.

Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés sur la figure unique annexée qui est une vue en coupe axiale d'une vanne d'arrêt incluant un exemple de dispositif d'étanchéité selon l'invention. Description de modes préférentiels de l'invention La figure annexée illustre en coupe axiale un exemple de vanne d'arrêt destinée à sélectivement autoriser ou interrompre de manière « tout ou rien » la circulation d'un fluide, par exemple des gaz d'échappement provenant d'un moteur thermique. La vanne d'arrêt comprend principalement un système rotatif ponctuel ayant deux structures assemblées par une liaison pivot-glissant et prévues de sorte à n'être mobiles relativement que de manière intermittente. Le système rotatif comprend un dispositif d'étanchéité assurant l'étanchéité entre les structures, qui sera décrit ci-dessous.

Une caractéristique essentielle de l'invention réside dans le fait que le dispositif d'étanchéité aux fluides entre les deux structures assemblées à liaison pivot-glissant, comprend un élément presseur sollicitant en permanence et de manière unidirectionnelle les structures l'une par rapport à l'autre selon une direction d'application d'efforts coïncidant avec l'axe de la liaison pivot-glissant. 2 9 8 5 5 5 8 6 Il est rappelé que par liaison pivot-glissant, il est entendu toute liaison conférant simultanément et individuellement une possibilité de rotation de l'une des structures par rapport à l'autre structure autour d'un axe X mais également une possibilité de translation de la structure selon l'axe X par 5 rapport à l'autre structure. Par conséquent, l'élément presseur applique des efforts mécaniques dirigés selon l'axe X sur au moins l'une des deux structures, éventuellement les deux, de sorte à soumettre cette structure à ces efforts pour la contraindre par rapport à l'autre structure. 10 Dans l'exemple particulier de la vanne d'arrêt en aucun limitatif quant aux domaines d'application qui peuvent être étendus à tous les systèmes rotatifs notamment ponctuels, les structures montées à liaison pivot-glissant comprennent respectivement un boisseau 10 et un boitier 11 dans lequel le boisseau 10 est monté à liaison pivot-glissant de manière 15 que le boisseau 10 varie par pivotement par rapport au boitier 11 entre une position d'ouverture (non illustrée) et une position de fermeture (cas de la figure), respectivement en communication fluidique ou non avec un passage de sortie (non représenté) ménagé dans le boitier 11. Le boisseau 10 comprend un conduit traversant 12 destiné à être aligné 20 avec un passage d'entrée du boitier 11 d'un côté et avec le passage de sortie du côté opposé. Le boitier 11 comprend un corps 13 délimitant une cavité en forme de révolution (centrée sur l'axe X) de section circulaire pour permettre la rotation du boisseau 10 qu'elle est destinée à recevoir. Le boitier 11 comprend également un chapeau 14 destiné à être fixé 25 rigidement (par exemple par vissage), de manière amovible, sur le corps 13 après assemblage avec le boisseau 10. Le chapeau 14 est destiné à fermer vers le dessus la cavité délimitée par le corps 13. La cavité est fermée à son extrémité opposée selon X par un fond 19 du corps. Le chapeau 14 comprend une ouverture 15 centrée sur l'axe X est 30 permettant à un bras de manoeuvre 16 solidaire du reste du boisseau 10 de venir en saillie du chapeau 14 du côté opposé à la cavité. Autrement dit, le bras de manoeuvre 16 est prévu pour être au moins partiellement à l'extérieur du boitier 11, pour sa commande. Le boisseau 10 comprend un centreur 17 colinéaire à l'axe X à son extrémité opposée à celle munie du bras 16. Le centreur 17 est destiné à s'engager dans un orifice de centrage 18 ménagé dans le fond 19 du corps. Sur au moins une partie de sa hauteur considérée selon l'axe X, le boisseau 10 présente extérieurement (ce dernier adoptant notamment une forme globalement cylindrique de section circulaire complémentaire de la cavité formée par le corps) un train d'ondes 20 ajustées non serrées par rapport aux parois internes de la cavité afin de permettre un coulissement relatif du boisseau 10 par rapport au boitier le long de l'axe X, sur une course limitée vers le dessus par le chapeau 14 et vers le bas par le fond 19.

Dans sa partie supérieure, c'est-à-dire du côté du chapeau 14, le corps 13 comprend une surface d'étanchéité, par exemple sous la forme d'un épaulement interne, destinée à coopérer par contact direct 26 selon la direction colinéaire à l'axe X, avec une surface d'étanchéité portée par le boisseau 10, par exemple sous la forme d'un épaulement externe ménagé au raccordement avec une collerette formée à l'extrémité du boisseau 10 au niveau de la jonction au bras de manoeuvre 16. Les surfaces d'étanchéité portées par les structures (boisseau 10/boitier 11) sont ainsi destinées à venir en contact 26 l'une contre l'autre selon la direction d'application des efforts résultant de l'action de l'élément presseur, qui sollicite ainsi les surfaces d'étanchéité l'une vers l'autre, pour les maintenir autant que possible en contact 26 l'une contre l'autre. Dans l'exemple illustré non limitatif, chacune des surfaces d'étanchéité est globalement plane et incluse dans un plan perpendiculaire à l'axe X.

Toutefois, la forme et l'orientation des surfaces d'étanchéité peuvent être 2 9 8 5 5 5 8 8 différentes. Par exemple, au moins l'une des surfaces d'étanchéité peut adopter une forme globalement conique d'axe X. Pour parvenir à ce résultat, le sens d'application des efforts sur le 5 boisseau 10 par l'élément presseur est tel que ces efforts tendent à s'opposer à tout soulèvement axial du boisseau 10 par rapport au boitier 11 en cas de circulation fluidique à travers le boisseau 10 dans sa position d'ouverture, au niveau du conduit traversant 12. Cette tendance au soulèvement résulte de la pression fluidique régnant dans le conduit 10 12. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux en raison de son coût, de sa simplicité et de l'efficacité d'étanchéité conférée, l'élément presseur est constitué par une rondelle élastique conique 21, 15 par exemple interposée entre le chapeau 14 et le boisseau 10. À titre d'exemple, l'axe de la rondelle 21 est destiné à coïncider avec l'axe X. Le dispositif d'étanchéité qui équipe la vanne d'arrêt, en sus de l'élément presseur (rondelle 21) et des surfaces d'étanchéité complémentaires portées par les deux structures du système rotatif, peut ainsi comprendre 20 des surfaces d'appui portées par les structures et contre lesquelles les extrémités axiales de la rondelle élastique conique 21 viennent en contact selon la direction d'application d'efforts, i.e. selon l'axe X. Une première surface d'appui 22 est ainsi formée par la face interne du chapeau 14 tournée du côté de la cavité et placée en regard du boisseau 25 10. Une deuxième surface d'appui 23 est formée par une face du boisseau 10 tournée du côté du chapeau 14 (par exemple celle sur laquelle vient se raccorder le bras de manoeuvre 16). La rondelle 21 peut être disposée dans un sens tel que le cône général 30 qu'elle délimite tend à s'ouvrir en direction du chapeau 14. Par cette disposition, le bord intérieur (de plus petit diamètre) de la face convexe de la rondelle 21 prend appui en permanence contre le boisseau 10, en formant un cercle d'étanchéité 25 entre le boisseau 10 et la rondelle 21. Le bord extérieur (de plus grand diamètre) de la face concave de la rondelle 21 prend appui en permanence contre le boitier 11 (au niveau du chapeau 14), en formant un cercle d'étanchéité 24 entre la rondelle 21 et le boitier 11. La rondelle 21 adoptant un corps plein entre ces deux cercles d'étanchéité 24, 25, il en résulte que l'étanchéité aux fluides est totale et permanente (indépendamment de la position du boisseau 10 le long de l'axe X suivant le degré de liberté de coulissement conféré par la liaison pivot-glissant) entre le chapeau 14 du boitier 11 et le boisseau 10. De ce qui précède, il est compris que le dispositif d'étanchéité aux fluides qui équipe le système rotatif à deux structures montées à liaison pivot-glissant assure une étanchéité aux fluides entre une partie inférieure et une partie supérieure du système. Dans le cas particulier décrit, l'étanchéité est apportée entre la partie inférieure dans laquelle est aménagé le conduit traversant 12 qui est destiné à être parcouru par des fluides, notamment des gaz, et la partie supérieure au-dessus du boisseau 10, évitant ainsi toute fuite de fluide par l'ouverture 15 du chapeau 14. Le dispositif d'étanchéité qui comprend ici de l'élément presseur (la rondelle élastique conique 21), des surfaces d'étanchéité et des surfaces d'appui 22, 23, remplit notamment deux fonctions principales : - assurer un contact 26 permanent du boisseau 10 contre le boitier 11 au niveau de leurs surfaces d'appui complémentaires, - assurer un contact 24, 25 permanent des extrémités axiales de la rondelle élastique conique 21 contre les surfaces d'appui 22, 23 respectivement portées par le boitier et par le boisseau.

Ainsi, il résulte de cette double fonction que même en cas d'absence de contact 26 entre les surfaces d'étanchéité du boisseau 10 et du boitier 11 (notamment en raison d'un soulèvement du boisseau 10 qui serait par exemple dû à une pression excessive des fluides dans la partie inférieure du système), le contact permanent entre la rondelle 21 et les surfaces d'appui sous forme de cercles d'étanchéité 24, 25 et la paroi fermée constituée par la rondelle 21 elle-même dans l'intervalle axial séparant le boitier 11 et le boisseau 10 permettent de maintenir une étanchéité durable aux fluides, indépendamment de la position angulaire et axiale du boisseau 10 par rapport au boitier 11.

Une application particulièrement visée par l'invention consiste à prévoir une telle vanne d'arrêt dans un agencement de ligne d'échappement des gaz émis par un moteur à combustion interne. Ainsi, cette ligne d'échappement peut notamment comprendre la vanne d'arrêt de sorte à alimenter, en position d'ouverture du boisseau 10, une branche de dérivation reliant un collecteur d'échappement et un filtre à particules contenues dans les gaz. En position de fermeture du boisseau 10, la vanne n'alimente plus la branche de dérivation. La conception de la vanne d'arrêt est avantageusement de type « tout ou rien », destinée à alimenter la branche de dérivation au démarrage du moteur, pendant une période donnée. Le pivotement du boisseau 10 n'est qu'intermittent, n'étant actionné qu'en cas de changement de position. Dans une telle application à des gaz d'échappement, l'élément presseur est alors conçu pour être configuré de sorte que sa caractéristique déformation axiale/efforts axiaux est telle que le soulèvement du boisseau 10 est inhibé dans une plage de pression du fluide, ici des gaz d'échappement, traversant le boisseau 10 comprise entre 3 et 5 bars environ. Notamment, il sera possible de parvenir à de telles dispositions dans le cas d'une rondelle élastique conique en adoptant un choix judicieux et idoine de la raideur (quasi constante en fonction du matériau de la rondelle notamment) de la rondelle conique déformable 21. 2 9 8 5 5 5 8 11 Par ailleurs, l'élément presseur pourra avantageusement être configuré de sorte à résister à une température des gaz traversant le boisseau 10 comprise dans une plage de température entre 500 et 1000°C environ, 5 ce qui est souvent le cas pour des gaz d'échappement d'un moteur thermique. De telles dispositions pourront notamment être atteintes par un choix adapté du matériau constitutif de la rondelle élastique conique 21. Des essais ont montré que le matériau connu sous le nom inconel® est particulièrement adapté et répond aux problématiques et aux 10 attentes. À haute température d'utilisation (par exemple au-delà de 500°C), la vanne d'arrêt pourra incorporer au moins partiellement de la graisse de type bisulfure de molybdène par exemple, pour supprimer le grippage et 15 permettre un démontage aisé de l'ensemble. La ligne d'échappement peut en outre comprendre un mécanisme d'actionnement commandant la variation de la vanne d'arrêt entre les positions de fermeture et d'ouverture. Il peut notamment s'agir d'un levier 20 de commande agissant à une extrémité sur une bielle d'entrainement du bras de manoeuvre 16, et associé à son extrémité opposée à un actionneur motorisé qui peut être logé dans un carter de protection. Enfin, une application visée mais en aucun cas exclusive porte sur un 25 véhicule automobile comprenant un groupe motopropulseur à moteur à combustion interne et ayant une telle ligne d'échappement. Toutefois, l'invention peut être adaptée à tout domaine mécanique, à tout système rotatif ponctuel à pivotement intermittent. L'élément presseur peut être constitué par tout élément mécanique comparable à la rondelle élastique 30 conique.

Claims (14)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif d'étanchéité aux fluides entre deux REVENDICATIONS1. Dispositif d'étanchéité aux fluides entre deux structures (10, 11) assemblées par une liaison pivot-glissant, caractérisé en ce qu'il comprend un élément presseur (21) sollicitant en permanence et de manière unidirectionnelle les structures l'une par rapport à l'autre selon une direction d'application d'efforts coïncidant avec l'axe (X) de la liaison pivot-glissant.
2. 2. Dispositif d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des surfaces d'étanchéité portées par les structures et destinées à venir en contact (26) selon la direction d'application d'efforts, l'élément presseur sollicitant les surfaces d'étanchéité l'une vers l'autre.
3. 3.Dispositif d'étanchéité selon l'une des revendications 1 et 2, 15 caractérisé en ce que l'élément presseur est constitué par une rondelle élastique conique (21).
4. 4.Dispositif d'étanchéité selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend des surfaces d'appui (22, 23) portées par les structures et contre lesquelles les extrémités axiales de la rondelle élastique conique 20 viennent en contact (24, 25) selon la direction d'application d'efforts.
5. 5. Système rotatif ayant deux structures assemblées par une liaison pivot-glissant mobiles de manière intermittente, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 assurant l'étanchéité entre les structures.
6. 6. Vanne d'arrêt pour circulation d'un fluide, comprenant un système rotatif selon la revendication 5 où les structures comprennent respectivement un boisseau (10) et un boitier (11) dans lequel le boisseau est monté à liaison pivot-glissant de manière que le boisseau 5 varie par pivotement par rapport au boitier entre une position d'ouverture et une position de fermeture, respectivement en communication fluidique ou non avec un passage de sortie ménagé dans le boitier.
7. 7. Vanne d'arrêt selon la revendication 6, caractérisée en ce que le sens d'application des efforts sur le boisseau par l'élément presseur est tel que lesdits efforts tendent à s'opposer à un soulèvement axial du boisseau par rapport au boitier en cas de circulation fluidique à travers le boisseau dans sa position d'ouverture.
8. 8. Vanne d'arrêt selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'élément presseur est configuré de sorte que sa caractéristique déformation axiale/efforts axiaux est telle que le soulèvement du boisseau est inhibé dans une plage de pression du fluide traversant le boisseau comprise entre 3 et 5 bars environ.
9. 9. Ligne d'échappement des gaz émis par un moteur à combustion interne, caractérisée en ce qu'elle comprend une vanne d'arrêt selon l'une quelconque des revendications 6 à 8 alimentant, en position d'ouverture du boisseau, une branche de dérivation reliant un collecteur d'échappement et un filtre à particules contenues dans les gaz.
10. 10. Ligne d'échappement selon la revendication 9, caractérisée en ce que l'élément presseur est configuré de sorte que sa caractéristique déformation axiale/efforts axiaux est telle qu'un soulèvement axial duboisseau par rapport au boitier est inhibé dans une plage de pression des gaz traversant le boisseau comprise entre 3 et 5 bars environ.
11. 11. Ligne d'échappement selon l'une des revendications 9 et 10, caractérisée en ce que l'élément presseur est configuré de sorte à résister à une température des gaz traversant le boisseau comprise dans une plage de température entre 500 et 1000°C environ.
12. 12. Ligne d'échappement selon la revendication 11, caractérisée en ce que la vanne d'arrêt incorpore au moins partiellement de la graisse de type bisulfure de molybdène.
13. 13. Ligne d'échappement selon l'une des revendications 9 à 12, caractérisée en ce qu'elle comprend un mécanisme d'actionnement commandant la variation de la vanne d'arrêt entre les positions de fermeture et d'ouverture.
14. 14. Véhicule automobile comprenant un groupe motopropulseur à moteur à combustion interne et ayant une ligne d'échappement selon l'une quelconque des revendications 9 à 13.