Grâce à une architecture de bague inédite et à l’emploi d’élastomères autolubrifiants, la bague VR de type SOA couvre les applications de moyenne pression, de 15 à 150 bar. Sur les pompes et les joints tournants, il était jusqu’ici à peine possible d’employer sûrement des bagues d’étanchéité radiales en élastomère à des valeurs p·v élevées : les fortes charges radiales font pénétrer le matériau d’étanchéité dans la surface de l’arbre, auxquelles s’ajoutent des couples de perte et des températures de frottement élevés.
La sollicitation mécanique et physique excessive aux valeurs p·v élevées provient d’une extrusion dans le jeu trop importante entre l’appui de pression et l’arbre.
L’effet d’étanchéité au niveau de la lèvre
Le principe de ces bagues radiales sans ressort repose sur des corps à membrane en forme de S, tendus sur des corps de support métalliques avec une précontrainte exactement dosée. La lèvre d’étanchéité chanfreinée attenante s’oppose au sens de pression du fluide et est soutenue à l’arrière par la rondelle de pression intégrée.
Lorsque le corps à membrane est tendu sur le corps métallique, une force radiale et une force tangentielle s’établissent dans la membrane et la lèvre. Elles remplacent la force du ressort qui, sur les bagues standard, engendre la force radiale. Grâce à la force tangentielle, la force radiale peut être ramenée jusqu’au quart de celle d’une bague standard. C’est là l’avantage majeur de la conception :
- pas de traces de rodage sur l’arbre, même sans trempe ni rectification
- utilisable sur des arbres inoxydables (V2A, V4A)
- faible puissance dissipée, vitesses de rotation élevées possibles
- tenue en pression élevée avec une forte étanchéité
- longue durée de vie
L’extrusion dans le jeu
Sous charge de pression, toute bague d’étanchéité radiale subit une extrusion au niveau de la lèvre — le matériau est entraîné dans le jeu entre l’arbre d1 et le diamètre actif Dw. La largeur de ce jeu vaut ds = (Dw − d1) / 2 et constitue le facteur déterminant de la valeur p·v du plan de joint.
Le diamètre actif Dw est déterminé soit par la conception de la bague, soit par la pièce qui la suit derrière la lèvre — carter, rondelle, etc.
Sous pression apparaissent une force radiale nettement plus élevée et, en plus, une force axiale dirigée vers le côté opposé à la pression, car le matériau est entraîné dans le jeu annulaire. Sur les arbres en rotation s’ajoute la torsion de la géométrie de la lèvre. Il en résulte de fortes contraintes de cisaillement dans le matériau, fonction de la pression, de la vitesse, du coefficient de frottement et du jeu annulaire.
Il est donc impératif d’obtenir une cote ds constante sur toute la circonférence. La lèvre doit en outre être soutenue par une face inclinée d’environ 30° par rapport au diamètre actif, afin qu’elle ne s’applique pas sous pression contre l’arbre sur toute sa longueur.
Si ds est trop grand ou irrégulier, le matériau brûle et la lèvre est cisaillée en service. Le jeu annulaire décide ainsi si une bague résiste à la pression et à la vitesse circonférentielle imposées ou si elle est détruite.
Dans le système d’étanchéité VR, le jeu est pris en compte par la cote d’alésage du corps de support. Des charges de pression plus élevées et dynamiques exigent des jeux plus faibles. Des valeurs minimales de ds sous pression ont été déterminées pour les bagues VR.
Pour encaisser de fortes pressions, ds doit être faible et l’appui de pression derrière la bague doit devenir plus rigide et plus précis. Sur la bague standard, cet appui était jusqu’ici assuré par une rondelle supplémentaire placée derrière la bague.
Dans l’exécution VR SOA, cette rondelle de pression est intégrée à la structure de la bague. Le centrage métallique supplémentaire par rapport à l’alésage du carter permet d’atteindre des valeurs de ds extrêmement faibles — la bague est parfaitement concentrique à l’arbre.
C’est précisément ce qu’il faut pour obtenir la même cote ds sur toute la circonférence. Ce n’est qu’alors que la répartition des contraintes sous pression est constante sur le pourtour et qu’aucune extrusion du matériau ne se produit. Des contraintes inégales conduisent à une défaillance prématurée par fissures tangentielles ou raccourcissent notablement la durée de vie.
Synthèse
La réduction du jeu entre l’arbre et la bague de support et l’amélioration de l’élastomère par des additifs de glissement ont conduit à une architecture radicalement nouvelle de la bague d’étanchéité radiale. Cette conception permet l’emploi dans la plage de moyenne pression, en particulier sur les pompes.
Les prescriptions de conception relatives à la cote D3 du corps de support figurent dans les Règles de conception.