Une enceinte est dite parfaitement étanche si aucune quantité de fluide qui y est contenue ne peut en sortir et si aucune particule (ou fluide) étrangère ne peut y entrer.
Il existe une grande variété de joints, cependant on peut les classer en deux grandes familles :
les joints pour étanchéité statique et les joints pour étanchéité dynamique.
1. Les joints pour étanchéité statique
Les surfaces à étancher sont immobiles l'une par rapport à l'autre. Autrement dit il n'y a pas de mouvement relatif entre ces surfaces.
2. Les joints pour étanchéité dynamique
Les surfaces à étancher sont mobiles ou en mouvement l'une par rapport à l'autre.
Exemple : étanchéité entre arbre et moyeu destinée à protéger un montage de roulements.
3. Les principales sources de fuites
Les principales sources de fuite sont :
les défauts de formes,
les états des surfaces à étancher ou rugosités,
les dilatations,
la porosité des matériaux et leur non-compatibilité avec le milieu environnant (lubrifiant, atmosphère...)
4. Paramètres à prendre en compte pour le choix d'une étanchéité
- nature du fluide à étancher
- pression du fluide (pointes de pression)
- température et dilatations
- mouvement relatif des surfaces à étancher
- vitesse du mouvement
- formes des surfaces à étancher
- dimensions et tolérances
- etats de surface (rugosité)
- durée de vie souhaitée
- une fuite est-elle tolérable ?
- compatibilité chimique entre le joint et le fluide à étancher
- porosité des matériaux
- simplicité de la conception
- contrôle de l'étanchéité
- entretien, maintenance
- aspect commercial, coûts...
II. MATÉRIAUX POUR JOINTS
De nombreux matériaux sont possibles : papiers, fibres diverses, composites (base :
métallique, verre, carbone, céramique...), métaux (pour pressions et températures élevées), élastomères et plastiques, etc.
Cas des élastomères et de certains plastiques : ils occupent une place de choix. La
température et la compatibilité chimique avec le milieu sont les principaux paramètres pour les choisir.
Le nitrile, pour usages courants, et les élastomères fluorés, pour milieux plus agressifs et températures plus élevées (exemple : viton) sont les plus utilisés. Ils sont compatibles avec la plupart des huiles.
1. Remarques et recommandations
Beaucoup de joints sont prévus pour des systèmes hydrauliques ou des dispositifs contenant des huiles ou des graisses et doivent donc résister à celles-ci. La plupart des élastomères changent de volume ou "gonflent" en présence d'huile à base de pétrole.
La résistance à la traction et la dureté sont de bons indicateurs sur la résistance à l'abrasion et à l'extrusion, qualités essentielles pour les joints dynamiques.
L'utilisation d'un polymère non approprié affecte la performance de l'étanchéité.
Il est toujours possible de confondre des joints de même couleur, de même dimension mais dont les matières sont différentes, il faut donc toujours vérifier l'origine des joints.
Certaines applications (distribution et appareils à gaz : distribution d'eau potable, d'oxygène, industrie alimentaire...) exigent des joints homologués.
III. JOINTS TORIQUES
C'est l'un des joints les plus utilisés, il convient particulièrement aux applications statiques et
à certaines applications dynamiques, notamment en pneumatique et en hydraulique, avec
vitesse réduite et pression modérée.
Ayant la forme d'un anneau, il est économique, léger, peu encombrant, facile à monter (pas
de sens de montage), fiable en service et nécessite peu d'entretien.
Il est disponible dans des milliers de dimensions, y compris des diamètres de plusieurs
mètres, et dans de nombreuses nuances d'élastomères : nitrile, viton, PTFE, etc. Ils peuvent
être gainés ou revêtus (par exemple : fine pellicule PTFE de 30 m...) pour des applications
en milieu chimique agressif.
Ils peuvent être métalliques (inox, cuivre, nickel, acier doux...), être enrobés ou non
(cadmium, PTFE, argent, or, cuivre, nickel...), pressurisés (avec pression interne), fendus ou
étanches sous pression, creux ou pleins, présenter une haute résistance mécanique, thermique
et chimique...
Dans certains cas d'application de transformation de mouvement sans effort, les joints
toriques peuvent être utilisés comme courroies.
1. Phénomène d'extrusion
L'action de la pression comprime le joint et l'applique avec force contre les surfaces de
contact. Plus la pression est forte et plus l'élastomère doit être dur pour éviter l'extrusion ou
l'expulsion du joint.
L'extrusion dépend du jeu diamétral au montage, de l'intensité de la pression et de la dureté
du joint. Un mouvement relatif augmente les risques.
Les bagues antiextrusion (PTFE...) permettent une bonne correction du phénomène.
IV. JOINTS A QUATRE LOBES
C'est une forme variante des joints toriques et il se caractérise par quatre lèvres arrondies. Par
rapport aux joints toriques, ils présentent une double zone d'étanchéité, demandent une
compression initiale plus faible, ont un frottement réduit, présentent moins de risque de
vrillage et sont mieux adaptés aux applications dynamiques : mouvements alternatifs...
Les pressions élevées sont possibles avec des bagues antiextrusion. Elles sont disponibles
dans les mêmes dimensions que les joints toriques (mêmes diamètres intérieurs) et dans une
grande variété de matériaux : NBR, nitrile, HNBR, CR, EPDM, VMQ (silicone), MFQ
(florosilicone), FPM (viton)...
V. JOINTS A LEVRE À CONTACT RADIAL POUR ARBRE TOURNANT
Ce sont des joints pour étanchéité dynamique, pour mouvement de rotation uniquement et
essentiellement utilisés avec les huiles et les graisses. Ils sont souvent employés pour
l'étanchéité des montages de roulements. Compacts, ils se composent d'une lèvre d'étanchéité
(nitrile, viton...) en forme de couteau frottant radialement sur l'arbre. Dans un grand nombre
d'applications, un ressort jarretière (spires jointives de forme torique) assure le maintien du
contact lèvre-arbre. La lèvre peut être lisse, avoir des microstries (repoussant les particules)
ou être de forme sinusoïdale (étanchéité hydrodynamique et meilleure répartition de la
chaleur). Un grand nombre de matériaux et de revêtements (téflon) sont possibles.
2. Conditions d'utilisation et usures comparées
Conditions d'utilisation : les joints doivent être utilisés sous de faibles différences de
pressions, généralement moins de 1 bar, éventuellement 5 à 7 bars pour certaines
applications en ajoutant un support rigide.
La vitesse circonférentielle V, admissible au contact arbre-lèvre, varie suivant les
réalisations, entre 5 et 18 m/s. En pratique, cette vitesse dépend de la matière et du type de
joint (voir tableau), de la rugosité de l'arbre, de la lubrification de la lèvre et de la substance à
étancher.
3. Caractéristiques et tolérances géométriques
Les dimensions proposées sont extraites de divers catalogues fabricants (Paulstra, Simrit-
Freudenberg, SKF/CR...) et englobent la plupart des dimensions normalisées (NF, DIN...). À
noter que de nombreuses autres dimensions sont également disponibles
6. Dépose et remplacement
On ne réutilise jamais un joint radial déposé au cours d'une opération de maintenance. De ce
fait, leur dépose est rarement un problème, néanmoins il est recommandé de noter le sens de
montage du joint afin de pouvoir orienter correctement la lèvre d'étanchéité du joint de
remplacement.
La lèvre du joint de remplacement ne doit pas utiliser la même surface d'appui (sur l'arbre)
que celle du joint précédent. À cet effet on peut utiliser différentes méthodes :
une rondelle entretoise entre le joint et le logement,
pose du joint neuf à une profondeur différente lorsque c'est possible,
utilisation d'un manchon ou bague d'usure du type Speedi-Sleeve.
7. Manchons d'usure Speedi-Sleeve
Ils sont en acier inoxydable, leur épaisseur est de 0,254 mm, la dureté de 95 HRB, la rugosité
0,25<Ra<0,5 micro-mètre. Une fois montés sur l'arbre, ils permettent d'utiliser un joint de
remplacement de la même taille que celui d'origine sans avoir à retravailler ou retoucher
l'arbre. La collerette, amovible (grâce à une rainure de prédécoupage), agit comme un
déflecteur lorsqu'elle est conservée. A noter que le manchon ne peut pas tourner sur l'arbre et
qu'il n'y a pas lieu de le coller.
En pratique on distingue quatre formes de fuite :
le cas sans fuite ou "étanche" pour lequel il n'y a pas de détection d'humidité,
les "fuites humides" qui apparaissent sur l'arête d'étanchéité sous forme d'humidité et ne
dépassent pas l'arrière de la bague,
les "fuites mouillées" qui dépassent l'arrière de la bague mais sont sans écoulement,
les "fuites mesurables" avec écoulement du fluide à étancher (qui peut être recueilli et
mesuré).
Les fuites statiques
Elles apparaissent au repos. Localisation et principales causes :
logement (rugosité alésage, mauvais ajustement, porosité logement, arrachement du joint),
lèvre d'étanchéité (arbre : rugosité ou rayures longitudinales ; détérioration de la lèvre ;
décalage de l'arbre ou défaut de coaxialité, décollement de la lèvre sous l'effet de la
pression).
Les fuites dynamiques à la lèvre
Elles apparaissent en cours de fonctionnement, principales causes :
détérioration de la lèvre au montage,
les défauts de l'arbre (rugosité, rainures ou rayures),
fuites causées par le lubrifiant (incompatibilité chimique entre lubrifiants ou entre
élastomère et lubrifiant, dépôts d'additifs dans la zone de contact),
fuites liées aux facteurs ambiants (salissures dans l'huile, pollution côté air, pression
trop élevée côté fluide),
fuites liées à des facteurs thermiques (température d'huile trop élevée pour l'élastomère
choisi, mauvaise dissipation de la chaleur : arbre creux, profil lèvre mal choisi).
VI. JOINT A LEVRE A CONTACT AXIAL POUR ARBRE (V-RING, VSEAL...)
C'est un joint entièrement en élastomère (nitrile, viton...), à frottement axial, pour étanchéité
dynamique. Sa lèvre, de forme conique, s'appuie sur une surface perpendiculaire à l'axe de
l'arbre et agit comme un déflecteur centrifuge qui éjecte les boues, poussières, huiles, eau...
Disponible en grands diamètres, jusqu'à 4 m, il supporte de plus grandes vitesses de rotation
que les joints à lèvre radiale mais est moins efficace. Il autorise également un léger rotulage ou défaut d'inclinaison (1° à 4° environ selon la vitesse) de l'arbre. Plusieurs types ou profils
sont disponibles.
3. Indications pour le montage
Les joints V-ring, entièrement en élastomère, sont très élastiques et ils peuvent être
facilement étirés pour être positionnés. En cas de remplacement nécessitant une longue
opération de dépose de plusieurs autres composants, il est possible de sectionner le joint puis
d'utiliser un équipement de vulcanisation portable pour raccorder les deux extrémités.
