Conception et développement de joints d'étanchéité

La conception des structures de joints d'étanchéité est principalement basée sur les conditions de fonctionnement, les conditions d'assemblage et les conditions environnementales. Des facteurs tels que la performance d'étanchéité, la durée de vie, les matériaux, le processus de fabrication et l'efficacité économique doivent être pris en compte. Lors de la conception d'un joint d'étanchéité, la première étape consiste à sélectionner le matériau d'étanchéité approprié. La formule du composé de caoutchouc utilisé doit fournir une combinaison raisonnable de propriétés qui répondent aux exigences de résistance à la chaleur, à l'huile, à l'usure et de bonnes performances de traitement.

Paramètres d'utilisation et paramètres de conception des joints d'étanchéité
 

Dans la conception structurelle, les paramètres utilisés et les paramètres de conception doivent être compatibles. La relation entre les paramètres de conception et les paramètres utilisés peut être illustrée dans le tableau 1.

Lors de la conception de la structure du joint d'étanchéité, les paramètres structurels indiqués dans la figure ci-dessous doivent être pris en compte.

(1) Interférence de la lèvre (d-d1)

Si l'interférence est importante, la lèvre s'étirera excessivement, provoquant le vieillissement et l'usure, ce qui réduira la durée de vie. Si l'interférence est faible, la performance d'étanchéité sera médiocre. L'interférence étant liée à la force radiale de l'ensemble de la lèvre, elle doit être prise en compte de manière globale. Les valeurs d'interférence ​​indiquées dans le tableau 2 sont données à titre indicatif uniquement.

Tableau 2 Interférence des différents diamètres d'arbre

(2) Valeur de la position du ressort "R"

Cette valeur est une largeur de contact théorique dans la conception. Une valeur "R" plus grande augmente la largeur de contact et le frottement. Une valeur "R" plus petite n'est pas propice à l'étanchéité. Les valeurs "R" ​​des positions des ressorts dans le tableau 3 sont données à titre indicatif uniquement.

(3) Longueur de la taille

La force radiale fournie par la longueur de la taille représente environ 50 % de la force radiale de la lèvre du joint d'étanchéité. Il est important de maintenir une faible force radiale. Une façon d'y parvenir est d'allonger la longueur de la taille du joint d'étanchéité. Cependant, le diamètre extérieur du joint d'étanchéité est généralement normalisé. Même l'espace d'assemblage non normalisé limite également cette largeur. Par conséquent, la longueur droite de la taille est limitée. Ce problème peut être résolu en dérivant une section incurvée de la partie droite de la taille.

(4) Épaisseur de la section de la taille

Des expériences ont montré que même à basse pression, une déformation comme celle illustrée à la figure (A) peut facilement se produire. Le simple fait d'épaissir la taille est préjudiciable à la capacité de la lèvre à suivre l'excentricité. Une taille plus épaisse affaiblit l'action du ressort, ce qui se traduit par une capacité de suivi de l'excentricité moins efficace qu'une taille plus fine. Pour résoudre le conflit entre la déformation de la taille et la capacité de suivi, il est recommandé de remodeler la taille comme illustré à la figure (B). Cela augmente la rigidité de la taille sans compromettre la capacité de suivi de l'excentricité.

(5) Longueur du sommet de la tête

Certains schémas de coupe transversale de joints d'étanchéité conçoivent la longueur du sommet de la tête (t) pour qu'elle soit égale au rayon de la gorge du ressort (r). Cependant, pendant l'utilisation, le ressort tombe souvent. Pour empêcher le ressort de tomber, la conception doit garantir que t est supérieur à r, en satisfaisant au moins la relation suivante : t = 4/3 r.

(6) Forme de la gorge du ressort

De nombreux joints d'étanchéité ont commis une erreur dans la conception de la gorge du ressort, en concevant le rayon de la gorge du ressort (R) et le rayon du cercle du ressort (r) avec des valeurs différentes. La vérification expérimentale a révélé que certaines lèvres de joints d'étanchéité présentent deux zones de contact. Par conséquent, lorsque R=r, l'état de distribution des contraintes de la lèvre est le meilleur, avec une seule zone de contact. Cependant, en raison du traitement des moules, du retrait du caoutchouc, etc., il est souvent difficile de rendre les deux absolument égaux lors de la fabrication. La seule façon de maintenir une petite différence entre les deux est de maintenir une petite différence entre les deux.

(7) Conception du cadre métallique

La fonction principale du cadre métallique est de renforcer la rigidité structurelle du joint d'étanchéité. Son épaisseur et sa méthode de configuration dépendent des conditions de travail et d'assemblage du joint d'étanchéité.

(8) Bobine de ressort

Il existe deux types de ressorts utilisés dans les joints d'étanchéité : les ressorts à jarretière et les ressorts à lames. Les ressorts à jarretière sont les plus couramment utilisés des deux. Pour les calculs du diamètre du ressort, de la longueur étendue et du nombre de spires, reportez-vous aux normes pertinentes et aux manuels de conception mécanique.

(9) Force radiale

La force radiale est un paramètre extrêmement important. Son effet sur les performances des joints d'étanchéité est résumé comme suit :

1. Si la force radiale est trop faible, la performance d'étanchéité sera médiocre ; 2. Si la force radiale est trop importante, une usure se produira et la durée de vie sera réduite ; 3. La force radiale affecte directement le frottement et la température de la zone de contact. Lorsque la force radiale est trop importante, le frottement génère une chaleur importante et accélère le vieillissement de la lèvre ; 4. L'usure de l'arbre est également affectée par la force radiale ; 5. Lorsque l'arbre et le logement sont excentriques, une force radiale appropriée doit être appliquée pour garantir que la lèvre a une capacité de suivi appropriée ; 6. La force radiale limite la pression de fonctionnement du fluide. Si la pression du fluide est trop élevée, une augmentation supplémentaire de la force radiale réduira la durée de vie du joint d'étanchéité.

Matériau du joint d'étanchéité

Actuellement, les joints d'étanchéité sont principalement fabriqués à partir de caoutchouc synthétique. Leur sélection et leur conception structurelle étant des facteurs clés influençant la performance d'étanchéité et la durée de vie des joints d'étanchéité, il est crucial de bien comprendre les propriétés du caoutchouc et de sélectionner le matériau approprié. Le matériau en caoutchouc le plus approprié pour les joints d'étanchéité doit être déterminé en fonction des paramètres pertinents du joint d'étanchéité : la force radiale sur l'arbre doit être suffisamment élevée pour empêcher les fuites, mais suffisamment faible pour maintenir une certaine épaisseur de film d'huile afin de maintenir la chaleur de frottement à un niveau bas. Le joint doit avoir un ajustement serré suffisant pour surmonter les effets de l'excentricité pendant le fonctionnement. La zone de la lèvre dans la zone de contact est également un facteur déterminant.

Le matériau du joint d'étanchéité influence directement ces trois paramètres. Au fur et à mesure que le matériau change avec le temps et la température, les paramètres clés changent également en conséquence. Par exemple, à mesure que la température augmente, le module du matériau diminue, ce qui entraîne des changements de la force radiale. La dilatation thermique, le gonflement du matériau causé par le fluide d'étanchéité et la dureté du composé de caoutchouc affectent tous la force radiale et l'ajustement serré.

Pour ces raisons, les propriétés suivantes doivent être prises en compte lors de la sélection des matériaux des joints d'étanchéité : compatibilité avec le fluide d'étanchéité, résistance au gonflement ou au durcissement dû au fluide ; bonne résistance à la chaleur et à l'usure ; et élasticité modérée pour s'adapter aux variations de la rugosité de l'arbre et de l'excentricité.

En raison de l'évolution constante des formulations de matériaux en caoutchouc, avec l'émergence de nouveaux matériaux et l'amélioration constante des matériaux existants, voici une brève description des matériaux les plus couramment utilisés pour les joints d'étanchéité : caoutchouc nitrile (NBR), caoutchouc polyacrylate (PAR), caoutchouc silicone, caoutchouc fluoré (FKM) et polytétrafluoroéthylène (PTFE).

Caoutchouc nitrile

Le NBR peut être utilisé en plus grande quantité que tous les autres élastomères combinés dans la fabrication de joints. Le NBR est un copolymère de butadiène et de propylène, avec une teneur en propylène allant de 18 % à 40 %. Il est classé en faible, moyenne et haute teneur en propylène. Bien que la résistance à l'huile du NBR augmente avec la teneur en propylène, sa flexibilité à basse température diminue. Pour obtenir de bonnes performances à basse température, une certaine résistance aux carburants et aux huiles à haute température est souvent sacrifiée. Le caoutchouc nitrile possède d'excellentes propriétés physiques, avec une meilleure résistance au fluage à froid, à la déchirure et à l'abrasion que la plupart des autres caoutchoucs. Cependant, il n'est pas résistant à l'ozone, aux intempéries et à la lumière du soleil, bien que ces propriétés puissent être améliorées grâce à la conception de la formulation. Le caoutchouc nitrile convient à une utilisation avec des huiles à base de pétrole, des huiles combustibles, de l'eau, des huiles de silicone et des esters de silicone, ainsi que des mélanges d'éthylène glycol. Cependant, il ne convient pas au contact avec les huiles EP, les hydrocarbures halogénés, les nitrocarbones, les fluides d'ester phosphate, les cétones, les acides forts et certains liquides de frein automobiles.

Caoutchouc polyacrylate

Le caoutchouc polyacrylate (ACM) est une émulsion de co-boue d'acrylates d'alkyle avec d'autres monomères insaturés. Les acrylates d'alkyle couramment utilisés sont l'acrylate d'éthylène éthyle et l'acrylate de butyle. Les performances du caoutchouc polyacrylate se situent entre celles du caoutchouc nitrile et du caoutchouc fluoré. Sa chaîne principale ne contenant pas de doubles liaisons, il présente une résistance élevée à la chaleur, à l'ozone et aux intempéries. La présence de groupes fonctionnels chlore (Cl) ou (CM) sur ses chaînes latérales améliore encore sa résistance à l'huile, ce qui permet de l'utiliser dans les huiles chaudes à des températures comprises entre 170 °C et 180 °C. Une caractéristique essentielle de ce caoutchouc est son excellente résistance à l'huile minérale, à l'huile hyperbolique et au beurre à 178 °C. Il présente également une excellente résistance au vieillissement et à la fissuration par flexion, ce qui le rend adapté aux joints d'étanchéité. Ses principaux inconvénients sont un traitement médiocre, le collage aux rouleaux pendant le mélange, des performances limitées à basse température, une faible résistance à l'eau et à la vapeur, une faible résistance à l'éthylène glycol et aux huiles hautement aromatiques, une forte déformation rémanente et une corrosion importante des moules et des arbres métalliques. Son élasticité, sa résistance à l'usure et ses propriétés d'isolation électrique sont également relativement faibles. En outre, en raison de son degré de saturation élevé, il a une vitesse de vulcanisation lente. Bien que sa résistance à l'usure puisse être considérablement améliorée avec une formulation appropriée, elle reste inférieure à celle du caoutchouc nitrile.

Caoutchouc silicone

Le caoutchouc silicone conserve ses propriétés mécaniques sur une large plage de températures, restant flexible à -65 °C et capable de fonctionner pendant une période prolongée à 230 °C. Bien que ses propriétés mécaniques puissent être améliorées grâce à un compoundage spécial, sa résistance, sa résistance à la déchirure et sa résistance à l'abrasion sont généralement relativement faibles. Sa résistance aux alcalis, aux acides faibles et à l'ozone est généralement bonne, mais sa résistance à l'huile est modérée. Les propriétés chimiques peuvent être améliorées avec des agents de compoundage, tels que ceux qui améliorent la résistance à l'huile et au carburant. Cependant, le caoutchouc silicone ne convient généralement pas à une utilisation dans les hydrocarbures tels que l'essence, la paraffine et l'huile minérale légère, car ces fluides le feront gonfler et ramollir. Le principal avantage du caoutchouc silicone est sa capacité à conserver son élasticité à très basses températures. De plus, il peut résister à des températures élevées pendant de longues périodes sans durcir, ce qui le rend adapté à une plus large gamme de joints à haute et basse température que les autres caoutchoucs. Pour les joints rotatifs, sa température de fonctionnement est supérieure à celle du caoutchouc standard. Cependant, le caoutchouc silicone est plus cher que la plupart des autres caoutchoucs.

Le caoutchouc fluorosilicone est un caoutchouc plus cher. Ses performances sont essentiellement les mêmes que celles du caoutchouc silicone, mais son champ d'application est plus étroit. Son principal avantage est sa résistance à l'huile, qui est comparable ou proche de celle du caoutchouc nitrile. Cela lui permet d'être utilisé en dehors des limites de température de fonctionnement du caoutchouc nitrile tout en offrant la résistance à l'huile dont le caoutchouc silicone est dépourvu.

Caoutchouc fluoré

Le caoutchouc fluoré est un polymère saturé contenant des atomes de fluor sur les atomes de carbone dans les chaînes principales ou latérales. Il possède des propriétés uniques et excellentes. Il se caractérise par une résistance aux températures élevées, aux huiles, à la corrosion sévère, aux solvants, aux intempéries, à l'ozone, à une faible perméabilité aux gaz et d'excellentes propriétés physiques. Il peut fonctionner en continu à des températures comprises entre 200 °C et 250 °C. Cependant, ses inconvénients sont de faibles performances à basse température et une forte déformation rémanente. Des recherches considérables ont été menées au niveau national et international pour améliorer la déformation rémanente du caoutchouc fluoré.

Polytétrafluoroéthylène

Les plastiques sont généralement semi-rigides et ne sont généralement pas utilisés comme joints. Le polytétrafluoroéthylène (PTFE) est une exception. Il s'agit d'un composé fluorocarboné aux propriétés uniques, notamment sa résistance aux attaques chimiques sur une large plage de températures de fonctionnement. Il présente un faible coefficient de frottement contre les métaux, mais sans renforcement de la charge, sa résistance mécanique est faible. Le PTFE est particulièrement utile dans les joints fabriqués à partir de structures composites. Par exemple, le PTFE usiné ou moulé peut être utilisé à la fois comme surface à faible frottement et comme revêtement résistant aux produits chimiques.

Propriétés des matériaux des joints d'étanchéité

Température de fonctionnement des matériaux des joints d'étanchéité

La température de fonctionnement est un facteur crucial qui affecte la durée de vie des joints d'étanchéité. Les températures de fonctionnement de plusieurs matériaux de joints d'étanchéité couramment utilisés sont indiquées dans le tableau 4.

Tableau 4 Températures de fonctionnement des matériaux de joints d'étanchéité couramment utilisés

Les changements de performance à basse température diffèrent considérablement de ceux à haute température. À mesure que la température diminue, presque tous les élastomères durcissent progressivement en raison d'une perte de flexibilité, ce qui ralentit leur récupération après la déformation. La cristallisation se produit également, bien que lentement. Avant que le matériau n'atteigne la fragilité, s'il n'existe pas d'autres matériaux élastomères, la force du ressort peut fournir la résilience nécessaire. À haute température, tous les élastomères perdent leur élasticité et ont tendance à ramollir. Les températures élevées accélèrent également le vieillissement du matériau, ce qui se manifeste généralement par une perte d'élasticité et une augmentation progressive de la dureté et du module.

Résistance à l'usure des matériaux des joints d'étanchéité

La résistance à l'usure du matériau est un facteur crucial pour les joints d'étanchéité. La résistance à l'usure du caoutchouc est liée à sa dureté et à sa résistance à la déchirure. Généralement, la résistance à l'usure s'améliore avec l'augmentation de la dureté ; une meilleure résistance à la déchirure conduit également à une meilleure résistance à l'usure. En outre, la résistance à l'usure d'un matériau est également influencée par des facteurs tels que son coefficient de frottement et la brillance de la surface d'accouplement.

Compatibilité avec les fluides d'étanchéité

Lorsque le matériau absorbe le fluide, son volume change. Une expansion excessive peut dégrader les propriétés physiques et mécaniques du matériau, le rendant inacceptable. Une expansion excessive peut également provoquer des réactions chimiques, telles que la dissolution, des interactions entre certains composants du matériau ou un fragilisation de la surface, entraînant des fissures. Dans ces cas, le fluide d'étanchéité et le matériau sont incompatibles. Dans certains cas, le fluide d'étanchéité peut extraire des additifs tels que des plastifiants et des antioxydants du composé de caoutchouc, modifiant la composition de l'élastomère et provoquant même un rétrécissement, entraînant des fuites. Pour plus d'informations sur la compatibilité des matériaux des joints d'étanchéité avec certains fluides, veuillez vous reporter au tableau 5.

Tableau 5 Compatibilité des matériaux des joints d'étanchéité

De ce qui précède, on peut constater que la conception structurelle du joint d'étanchéité est très importante. Même si le matériau du joint d'étanchéité est très bon, si sa conception structurelle est déraisonnable, une étanchéité efficace ne peut pas être obtenue.