Cet article explore le monde fascinant des joints toriques et révèle leur rôle crucial dans la fiabilité mécanique. Des ingénieurs chevronnés partagent leurs connaissances sur la sélection des matériaux, les considérations de conception et les conseils d'entretien. Plongez dans cet article pour découvrir les secrets de ces composants vitaux !
Un joint torique est un type de joint d'étanchéité en caoutchouc à section circulaire. Il tire son nom de sa section en forme de O et est communément appelé joint torique.
Le joint torique a été introduit pour la première fois au milieu du XIXe siècle en tant qu'élément d'étanchéité pour les cylindres des machines à vapeur. Aujourd'hui, il est largement utilisé en raison de son prix abordable, de sa facilité de fabrication, de la fiabilité de ses performances et de la simplicité de son installation. Par conséquent, le joint torique est le modèle le plus utilisé pour l'étanchéité mécanique.
Le joint torique peut résister à une pression élevée, mesurée en dizaines de mégapascals (kilopounds). Il peut être utilisé dans des applications statiques et dynamiques où les composants se déplacent les uns par rapport aux autres, comme dans les arbres de pompes rotatives et les pistons de vérins hydrauliques.
Un joint torique est un petit élément d'étanchéité en forme d'anneau dont la section transversale est généralement circulaire. Le matériau principal utilisé pour sa fabrication est un composé de moulage synthétique, ce qui en fait le type de joint le plus utilisé dans l'ingénierie hydraulique. Il est principalement utilisé pour les joints statiques et les joints coulissants.
Comparé à d'autres joints, le joint torique présente plusieurs avantages, notamment
a. Etanchéité efficace et longue durée de vie
b. La capacité de sceller dans les deux sens avec un seul anneau
c. Bonne compatibilité avec l'huile, la température et la pression
d. Faible résistance au frottement dynamique
e. Petite taille, poids léger et faible coût
f. Une structure d'étanchéité simple et facilement démontable
g. la possibilité d'être utilisé comme joint statique ou dynamique
h. Taille et rainure normalisées, facilitant la sélection et l'approvisionnement.
L'un des inconvénients du joint torique est que, lorsqu'il est utilisé comme joint dynamique, il présente une résistance au frottement importante, qui est environ 3 à 4 fois supérieure à son frottement dynamique. En outre, il est susceptible d'être comprimé dans la barrière sous haute pression.
1GB/T3452.1-1982 méthode d'expression
Diamètre intérieur d1 × Diamètre du fil d2
Par exemple :
Le "20" indique que le diamètre intérieur du joint torique est de 20 mm.
Le "2,4" fait référence au diamètre de la section transversale du joint torique, qui est de 2,4 mm.
"GB3452.1" est le numéro de la norme.
"82" représente l'année de publication de la norme.
Le chiffre "2400" représente le diamètre de la section transversale du joint torique, qui est de 2,4 mm.
Le "0200" indique que le diamètre intérieur du joint torique est de 20 mm.
Comme dans le premier exemple, "GB3452.1" est le numéro de la norme et "82" représente l'année de publication de la norme.
2. Représentation des GB/T3452.1-2005
Par exemple :
(1) Joint torique 7,5 × 1,8G GB/T3452.1
Le "7,5" indique le diamètre intérieur du joint torique.
Le chiffre "1,8" fait référence au diamètre de la section transversale du joint torique.
La série "G" désigne le "joint torique universel". Il existe d'autres séries, comme la série "A", qui correspond au "joint torique pour l'aérospatiale".
(2) A 0 × 0 × 7 × 5XG GB/T3452.1
La série "A" correspond à un diamètre de fil de joint torique de 1,80 mm. Il existe d'autres séries avec des diamètres de fil différents, telles que :
Le joint torique est un type de joint d'extrusion. Le principe de base d'un joint d'extrusion est qu'il repose sur la déformation élastique du joint pour créer une pression de contact sur la surface d'étanchéité. Si cette pression de contact est supérieure à la pression interne du fluide scellé, il n'y aura pas de fuite, sinon des fuites se produiront. Le processus par lequel le fluide lui-même modifie l'état de contact du joint torique pour obtenir l'étanchéité est appelé "auto-étanchéité".
Pré-étanchéité Q-ring
Effet d'auto-étanchéité :
Grâce à l'effet de pré-étanchéité, le joint torique est en contact étroit avec la surface lisse étanche et le fond de la gorge. Par conséquent, lorsque le fluide pénètre dans la gorge par un interstice, il n'agit que sur un côté du joint torique. Lorsque la pression du fluide est élevée, elle pousse le joint torique vers l'autre côté de la rainure et le comprime en forme de D, transférant la pression à la surface de contact.
Toutefois, la capacité d'auto-étanchéité des joints toriques est limitée. Lorsque la pression interne est trop élevée, le joint torique peut subir une "extrusion de caoutchouc". Ce phénomène se produit lorsqu'il existe un espace au niveau du point d'étanchéité et qu'une pression élevée provoque une concentration de contraintes au niveau de l'espace. Lorsque la contrainte atteint un certain niveau, le caoutchouc est expulsé. Bien que le joint torique puisse temporairement maintenir l'étanchéité, il a en fait été endommagé. Il est donc important de sélectionner soigneusement le joint torique approprié à l'application.
En joints dynamiquesDans le cas des joints dynamiques, les effets de pré-étanchéité et d'auto-étanchéité du joint torique sont similaires à ceux des joints statiques. Cependant, la situation est plus compliquée dans les joints dynamiques en raison du risque d'introduction de fluide entre le joint torique et la tige pendant le mouvement.
Lorsque la tige est en fonctionnement, si le côté gauche du joint torique est soumis à la pression moyenne P1 (comme le montre la figure a), la pression de contact générée par le joint torique sur la tige est supérieure à P1 en raison de l'effet d'auto-étanchéité, ce qui garantit l'étanchéité.
Cependant, lorsque la tige commence à se déplacer vers la droite, le fluide fixé à la tige est amené dans l'espace entre le joint torique et la tige (figure b). En raison de l'effet hydrodynamique, la pression de cette partie du fluide est supérieure à P1 et peut dépasser la force de contact du joint torique sur la tige, ce qui fait que le fluide s'écrase dans la première gorge du joint torique (figure c). Lorsque la tige continue à se déplacer vers la droite, le fluide continue à pénétrer dans la rainure suivante, ce qui entraîne une fuite dans le sens du mouvement de la tige.
Le risque de fuite est moindre lorsque la tige se déplace vers la gauche, car la direction d'entraînement est opposée à la direction de pression de la tige. Le risque de fuite augmente avec la viscosité du fluide et la vitesse de déplacement de la tige, et est étroitement lié à la taille et à la pression de service du joint torique.
En outre, il existe un joint d'étanchéité à presser dans la rainure du chanfrein de la face d'extrémité, ainsi que deux méthodes d'étanchéité spéciales :
3.1.1 Ce taux de compression
Le taux de compression (W) d'un joint torique est exprimé comme suit :
W = (d2 - h) / d2 × 100%
Où ?
d2 - Diamètre de la section transversale du joint torique à l'état libre (mm)
h - La distance entre le fond de la gorge du joint torique et la surface scellée (profondeur de la gorge), qui est la hauteur de la section transversale du joint torique après compression (mm).
Lors du choix du taux de compression d'un joint torique, il est important de prendre en compte les facteurs suivants :
Le choix du taux de compression (W) doit également tenir compte des conditions de service et du fait qu'il s'agit d'un joint statique ou dynamique.
Les joints statiques peuvent être divisés en joints radiaux et en joints axiaux. Les joints radiaux ont des jeux radiaux et les joints axiaux ont des jeux axiaux.
Les joints axiaux peuvent être divisés en joints à pression interne et joints à pression externe, selon que le fluide de pression agit sur le diamètre intérieur ou extérieur du joint torique. La pression interne augmente la tension, tandis que la pression externe diminue la tension initiale du joint torique.
Pour ces différentes formes de joints statiques, la direction du fluide d'étanchéité sur le joint torique est différente, de sorte que la conception de la prépression est également différente.
Pour les joints dynamiques, il est important de faire la distinction entre les joints à mouvement alternatif et les joints à mouvement rotatif.
Lors de la sélection du taux de compression pour les joints à mouvement rotatif, il est nécessaire de prendre en compte l'effet de la chaleur Joule. En général, le diamètre intérieur du joint torique utilisé pour le mouvement rotatif est supérieur de 31 à 51 TTP3T au diamètre de l'arbre, et le taux de compression du diamètre extérieur est de -31 TTP3T à 81 TTP3T.
Pour les joints toriques utilisés dans des applications à faible frottement, un faible taux de compression de 5% à 8% est généralement choisi pour réduire la résistance au frottement. Il est également important de tenir compte de la dilatation des matériaux en caoutchouc due au milieu et à la température.
En règle générale, le taux de dilatation maximal admissible est de 15% en plus de la déformation de compression donnée. Si cette fourchette est dépassée, cela indique que le sélection des matériaux est inappropriée et il convient soit d'utiliser un matériau différent pour le joint torique, soit de corriger le taux de déformation par compression donné.
3.1.2 Smontant de l'étirement
Une fois le joint torique installé dans la gorge d'étanchéité, il présente généralement un certain niveau de tension. Cette tension, tout comme le taux de compression, affecte grandement les performances d'étanchéité et la durée de vie du joint torique. Une tension excessive rend l'installation du joint torique difficile et réduit le taux de compression, ce qui entraîne des fuites.
Le montant de l'étirement peut être calculé à l'aide de la formule suivante :
a = (d + d2) / (d1 + d2)
Où ?
d - diamètre de l'arbre (mm) d1 - diamètre intérieur du joint torique (mm)
La plage recommandée pour l'allongement est de 1% à 5%. Le tableau 1 indique la valeur d'étirement recommandée pour les joints toriques, et la valeur d'étirement peut être sélectionnée et limitée en fonction de la taille du diamètre de l'arbre.
Tableau I : limites du taux de compression et de l'étirement du joint torique
| Formulaire de scellement | Moyen de scellement | Montant de l'étirement a (%) | Taux de compression w (%) |
| Joint statique | Huile hydraulique | 1.03~1.04 | 15~25 |
| Air | <1.01 | 15~25 | |
| Mouvement alternatif | Huile hydraulique | 1.02 | 12~17 |
| Air | <1.010.95~1 | 12~173~8 | |
| Mouvement de rotation | Huile hydraulique | 0.95~1 | 3~8 |
La compression d'un joint torique est principalement déterminée par la conception et les dimensions de la rainure d'installation.
Les rainures rectangulaires et triangulaires sont les formes les plus couramment utilisées, les rainures triangulaires n'étant utilisées que pour des joints fixes spécifiques.
Les formes des rainures des joints statiques, des joints alternatifs et des joints dynamiques peuvent être similaires, mais leurs tailles varient pour répondre aux différentes exigences de compression.
3.2.1 Slargeur du terrain
La largeur de la fente est examinée sous les trois angles suivants :
Il est généralement recommandé que la section transversale du joint torique occupe au moins 85% de la section rectangulaire. Dans de nombreux cas, la largeur de la rainure est égale à 1,5 fois le diamètre de la section transversale du joint torique.
Il est important de noter qu'une rainure étroite augmentera la friction et l'usure du joint torique. D'autre part, si la gorge est trop large, elle augmentera l'amplitude de mouvement du joint torique et le rendra plus sensible à l'usure. En outre, dans le cas d'une étanchéité statique avec pression pulsée, le joint torique peut subir des mouvements pulsés et une usure anormale.
Dans les situations de haute pression, un anneau de retenue doit être utilisé et la largeur de la rainure doit être augmentée en conséquence.
3.2.2 Gprofondeur du sillon
La profondeur de la gorge est un facteur crucial pour le bon fonctionnement du joint torique. Elle dépend principalement de la déformation par compression du joint torique.
Cette déformation se compose de la déformation de compression (A1) au niveau du diamètre intérieur du joint torique et de la déformation de compression (A2) au niveau du diamètre extérieur du joint torique.
Lorsque A1=A2, la section du joint torique coïncide avec le centre de la section de la rainure et les deux cercles sont égaux, ce qui indique que le joint torique n'est pas étiré pendant l'installation.
Lorsque A1>A2, la circonférence du centre de la section du joint torique est plus petite que celle du centre de la gorge, ce qui indique que le joint torique est installé dans un état étiré.
Lorsque A1<A2, le périmètre de la section du joint torique est supérieur au périmètre central de la section de la gorge. Dans ce cas, le joint torique est installé avec une compression circonférentielle et il rebondira lors du démontage.
Lors de la détermination de la profondeur de la gorge, il convient de tenir compte en premier lieu de l'utilisation prévue du joint torique, puis de sélectionner un taux de déformation à la compression raisonnable. Le gonflement du matériau dans le milieu, le gonflement du matériau lui-même et d'autres facteurs connexes doivent également être pris en compte.
Cependant, il existe des normes pertinentes fournies par l'État pour la structure des rainures.
3.2.3 Schoix et conception des rainures
1. Forme d'installation de la rainure
Expliquer :
Tableau II Taille de la rainure radiale du joint torique
| Diamètre de la section du joint torique d2 | 1.80 | 2.65 | 3.55 | 5.30 | 7.00 | ||
| largeur de la tranchée | Joint pneumatique | 2.2 | 3.4 | 4.6 | 6.9 | 9.3 | |
| Garniture hydraulique dynamique ou statique | b+0.25 | 2.4 | 3.6 | 4.8 | 7.1 | 9.59.5 | |
| b1+0.25 | 3.8 | 5.0 | 6.2 | 9.0 | 12.3 | ||
| b2+0.25 | 5.2 | 6.4 | 7.6 | 10.9 | 15.1 | ||
| Profondeur de la rainure t | Joint de tige de piston, (pour le calcul d3) | Joint hydraulique dynamique | 1.42 | 2.16 | 2.96 | 4.48 | 5.95 |
| Joint pneumatique | 1.46 | 2.23 | 3.03 | 4.65 | 6.20 | ||
| Joint statique | 1.38 | 2.07 | 2.74 | 4.19 | 5.67 | ||
| Joint de tige de piston, (pour le calcul d6) | Joint hydraulique dynamique | 1.47 | 2.24 | 3.07 | 4.66 | 6.16 | |
| Joint pneumatique | 1.57 | 2.37 | 3.24 | 4.86 | 6.43 | ||
| Joint statique | 1.42 | 2.15 | 2.85 | 4.36 | 5.89 | ||
| Longueur minimale du chanfrein Zmin | 1.1 | 1.5 | 1.8 | 2.7 | 3.6 | ||
| Rayon du congé de raccordement du fond de la gorge r1 | 0.2-0.4 | 0.4-0.8 | 0.8-1.2 | ||||
| Rayon du congé de la gorge r2 | 0.1-0.3 | ||||||
| Diamètre maximal du fond de la gorge du joint de la tige de piston d3max=d4+2t, d4 diamètre de la tige de piston | |||||||
| Le diamètre minimal du fond de la gorge du joint de la tige de piston d6 minutes=d5max+2t, d5max diamètre maximal de la tige de piston. | |||||||
La Chine a établi des normes pour les séries de tailles de rainures des joints toriques. Les détails figurent dans le tableau 3.
Tableau III : taille de la rainure et compression pour l'étanchéité
| Tolérance sur la dimension de la section de l'anneau 0 | 1.9±0.08 | 2.4±0.08 | 3.1±0.10 | 3.5±0.10 | 5.7±0.15 | 8.6±0.16 | |||
| Joint fixe axial | Taux de compression | 0.60~0.40 | 0.70~0.504 | 0.85~0.55 | 0.90~0.65 | 1.3~0.9 | 1.6~1.0 | ||
| Taille de la rainure | h | 1.3~1.5 | 1.7~1.9 | 2.25~2.55 | 2.60~2.85 | 4.40~4.80 | 7.00~2.60 | ||
| b | 2.50 | 3.20 | 4.2 | 4.70 | 7.50 | 11.2 | |||
| r≤ | 0.40 | 0.7 | 0.80 | ||||||
| Pour le sport | Taux de compression | 0.47~0.28 | 0.47~0.27 | 0.54~0.30 | 0.60~0.324 | 0.85~0.45 | 1.06~0.68 | ||
| Taille de la rainure | h | 1.43~1.62 | 1.93~2.13 | 2.65~2.80 | 2.90~3.18 | 4.85~5.25 | 7.54~7.92 | ||
| b | Sans anneau de retenue | 2.5 | 3.2 | 4.2 | 4.70 | 7.5 | 11.2 | ||
| Ajouter un anneau de retenue | 3.9 | 4.4 | 5.2 | 6.0 | 9.0 | 13.2 | |||
| Ajouter deux anneaux de retenue | 5.40 | 6.0 | 7.0 | 7.8 | 11.5 | 17.2 | |||
| r≤ | 0.4 | 0.7 | 0.8 | ||||||
| Remarque : h désigne la hauteur de la rainure ; b représente la largeur de la tranchée ; r désigne le chanfrein de la rainure. | |||||||||
3. Exigences en matière de traitement des gorges de joints toriques
Pour éviter les fuites dues aux rayures et à une mauvaise installation, il existe certaines exigences concernant la précision des rainures et des composants connexes lors de l'installation des joints toriques.
Tout d'abord, les bords traversant l'installation doivent être émoussés ou arrondis, et le trou intérieur traversant l'installation doit être chanfreiné à un angle de 10 à 20 degrés.
Deuxièmement, la précision de la surface le long de la trajectoire d'installation du joint torique doit être soigneusement examinée. L'arbre doit avoir une faible rugosité et être lubrifié si nécessaire.
Les exigences relatives à la précision de la rainure d'installation et de la surface d'adaptation sont indiquées dans le tableau IV.
Tableau IV État de surface des parties jointes de la rainure d'étanchéité en caoutchouc en forme de O
| surface | Applications | Condition de pression. | Finition de la surface |
| Fond et côtés de la tranchée | Joint étanche | Non alternatif et non pulsé, | R.3.2um |
| Alternance ou impulsion, | R.1.6um | ||
| Joint dynamique, | Non alternatif et non pulsé. | ||
| Surface d'accouplement | Joint étanche | Non alternatif et non pulsé. | R.1.6um. |
| Alternance ou impulsion, | R.0.8um | ||
| Joint dynamique | R0,4 μ m |
Le choix du matériau des joints toriques tient compte des facteurs suivants :
Généralement, le caoutchouc nitrile est utilisé pour la résistance à l'huile, le caoutchouc chloroprène pour la résistance aux intempéries et à l'ozone, le caoutchouc acrylate ou le caoutchouc chloré pour la résistance à la chaleur, le caoutchouc polyuréthane pour la résistance à la haute pression et à l'usure, et le caoutchouc copolyazole pour la résistance au froid et à l'huile.
Le champ d'application des différents adhésifs est indiqué dans le tableau 5.
Tableau V Spécifications pour l'utilisation des matériaux d'étanchéité des joints toriques
| Science des matériaux | Supports applicables | Température de service / ℃ | Remarques | |
| Pour le sport | Utilisation statique | |||
| Caoutchouc nitrile | Huile minérale, essence, benzène | 80 | -30~120 | |
| Néoprène | Air, eau, oxygène | 80 | -40~120 | Précautions pour le sport |
| caoutchouc butyle | Huile animale et végétale, acide faible, alcali | 80 | -30~110 | Déformation permanente importante, ne convient pas à l'huile minérale |
| caoutchouc butadiène styrène | Alcali, huile animale et végétale, air, eau | 80 | -30~100 | Non applicable à l'huile minérale |
| Caoutchouc naturel | Eau, acide faible, base faible | 60 | -30~90 | Non applicable à l'huile minérale |
| caoutchouc siliconé | Huile à haute et basse température, huile minérale, huile animale et végétale, oxygène, acide faible, base faible | -60~260 | -60~260 | Ne convient pas à la vapeur, éviter l'utilisation dans des pièces en mouvement |
| Polyéthylène chlorosulfoné | Huile à haute température, oxygène, ozone | 100 | -10~150 | Éviter de l'utiliser dans des pièces en mouvement |
| Caoutchouc polyuréthane | Eau, huile | 60 | -30~80 | Résistant à l'usure, mais éviter l'utilisation à grande vitesse |
| Caoutchouc fluoré | Huile chaude, vapeur d'air, acide inorganique | 150 | -20~200 | |
| téflon | Acides, bases, divers solvants | -100~260 | Non applicable aux pièces mobiles | |
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