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Une étanchéité dynamique par joint torique constitue une conception fondamentalement différente d’un joint statique. Il ne s’agit pas du même composant avec une gorge différente, mais d’un autre compromis : moins de compression pour maîtriser le frottement, une qualité de surface plus stricte pour limiter l’usure, et un jeu plus étroit pour éviter l’extrusion sous une pression pulsatoire. Cet article traite des deux types de montage radial dynamique, des exigences communes applicables aux deux, ainsi que du choix entre l’hydraulique et la pneumatique.
Dans l’étanchéité dynamique, les pièces de machine à étancher se déplacent l’une par rapport à l’autre. La forme de mouvement la plus fréquente est le va-et-vient, comme dans les vérins hydrauliques et pneumatiques. Parfois, il y a aussi un mouvement combiné de rotation et de translation, comme dans certains entraînements hydrauliques. Le joint torique accompagne alors chaque course : il est étiré, déplacé et reprend sa forme. Le frottement est donc un paramètre de conception, et non un phénomène secondaire.
La compression d’un joint torique dynamique est volontairement plus faible que dans les applications statiques. Non pas parce qu’une performance d’étanchéité plus faible serait acceptable, mais parce qu’une compression plus élevée engendre, à chaque course, plus de force de contact, plus de frottement et plus d’usure. L’équilibre entre une étanchéité suffisante et un frottement acceptable détermine la plage de conception de la gorge.
Une compression plus faible en dynamique signifie : un meilleur état de surface requis, des tolérances plus serrées et, en pneumatique, une lubrification volontaire.
Le tableau ci-dessous rend la différence visible. La compression dans les applications dynamiques représente environ la moitié de celle du statique. L’exigence de rugosité sur la surface d’étanchéité est quatre fois plus stricte. Et en pneumatique, où le fluide ne lubrifie pas, des mesures supplémentaires sont nécessaires.
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Paramètre |
Statique |
Dynamique hydraulique |
Dynamique pneumatique |
|
Compression (% de d2) |
15 à 30% |
9 à 16% |
7 à 13% |
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Surface d’étanchéité Ra |
max. 1,6 µm |
max. 0,4 µm |
max. 0,4 µm |
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Jeu jusqu’à 30 bar |
0,20 mm |
0,20 mm |
0,20 mm |
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Jeu jusqu’à 63 bar |
0,20 mm |
0,10 mm |
0,10 mm |
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Lubrification |
Non requise |
Fluide hydraulique |
Recommandée (graisse/brouillard) |
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Usure |
Aucune |
Présente |
Présente |
Dans les applications hydrauliques, les joints toriques sont utilisés pour les mouvements alternatifs des pistons et des tiges. Ils conviennent particulièrement lorsque l’espace de montage disponible est limité et qu’une étanchéité simple et économique suffit. Le fluide, le liquide hydraulique, forme un film lubrifiant sur la surface d’étanchéité qui limite le frottement et protège le joint.
La compression en hydraulique se situe entre 9 et 16% du diamètre de section. À titre de comparaison : en compression radiale statique, elle est de 15 à 30%. Cette compression plus faible réduit la force de contact et donc le frottement par course. En contrepartie, la marge pour les écarts de géométrie de gorge ou de surface d’étanchéité est plus faible. Contrôlez donc toujours la profondeur de gorge, la largeur et la qualité de surface avant le montage.
À des pressions plus élevées, à grande vitesse de course ou lorsque la durée de vie doit dépasser 1 million de cycles, des joints de piston et de tige spéciaux constituent techniquement un meilleur choix. Un joint torique peut encore être utilisé comme joint secondaire ou en combinaison, mais plus comme joint principal.
Paramètres complets de gorge et tableau dimensionnel : dimensions de gorge de joint torique pour compression radiale dynamique : hydraulique.
Les joints toriques pneumatiques fonctionnent à des pressions de service plus faibles que l’hydraulique, généralement entre 4 et 16 bar dans les systèmes industriels. Mais ils imposent des exigences plus élevées en matière de frottement. L’air n’a pas d’effet lubrifiant : aucun film lubrifiant ne se forme sur la surface d’étanchéité. Tout frottement supplémentaire coûte de la force de vérin ou perturbe la précision de positionnement de l’entraînement.
La compression en pneumatique est donc la plus faible de tous les types de montage : 7 à 13% du diamètre de section. Cette valeur a été volontairement choisie aussi basse afin de limiter le frottement à sec. Une compression plus faible exige cependant une surface d’étanchéité plus précise : le joint dispose de moins de force de contact pour compenser les petites irrégularités de surface. L’exigence de rugosité pour la surface d’étanchéité est de Ra max. 0,4 µm, comme en hydraulique. Dans les systèmes fonctionnant à sec, une lubrification à la graisse silicone ou au brouillard d’huile est fortement recommandée.
Paramètres complets de gorge et tableau dimensionnel : dimensions de gorge de joint torique pour compression radiale dynamique : pneumatique.
Le twisting correspond à la rotation du joint torique dans la gorge lors d’un mouvement linéaire alternatif. Il se produit si la gorge est trop large, si la compression est trop faible ou si la qualité de surface est irrégulière sur la circonférence. Le joint roule alors légèrement à chaque course au lieu de glisser. Après un certain nombre de cycles, il a tourné d’un quart ou d’un demi-tour. Sous une charge asymétrique, le caoutchouc s’étire alors de manière inégale et se déchire.
Le twisting est difficile à reconnaître lors de l’inspection, car un joint tourné paraît intact à l’extérieur. La fissure se situe à l’intérieur du joint. La prévention est plus simple que la détection : maintenez strictement la largeur de gorge b1 dans les tolérances, n’utilisez jamais une gorge trop large et évitez une compression extrêmement faible à des fréquences de course élevées.
Signes de twisting : usure en spirale sur la surface d’étanchéité, fissures à l’intérieur du joint ou fuite qui commence après un nombre fixe de cycles.
Les joints toriques hydrauliques et pneumatiques partagent les mêmes normes en matière d’état de surface et de largeur du jeu. Avec la géométrie de la gorge, ce sont les deux facteurs qui déterminent la durée de vie du joint.
L’exigence de rugosité pour la surface d’étanchéité dans les applications dynamiques est quatre fois plus stricte qu’en statique. Une surface trop rugueuse use le joint à chaque course. En pneumatique sans lubrification, l’usure apparaît déjà à des valeurs encore acceptables en hydraulique.
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Surface |
Dynamique Ra max. |
Dynamique Rz max. |
Dynamique Rmax |
|
Surface d’étanchéité |
0,4 µm |
1,2 µm |
1,6 µm |
|
Fond de gorge |
1,6 µm |
3,2 µm |
6,3 µm |
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Flancs de gorge |
3,2 µm |
6,3 µm |
10 µm |
Avec des pressions pulsées dans les applications dynamiques, le risque d’extrusion est plus élevé qu’en statique. La largeur maximale du jeu est donc plus faible. Pour les matériaux silicone, vous devez diviser par deux les valeurs du tableau.
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Pression (bar) |
70 Shore A (mm) |
80 Shore A (mm) |
90 Shore A (mm) |
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jusqu’à 30 |
0,20 |
0,25 |
0,30 |
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30 à 63 |
0,10 |
0,15 |
0,20 |
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63 à 80 |
non applicable |
0,10 |
0,15 |
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80 à 100 |
non applicable |
non applicable |
0,10 |
Dans les applications dynamiques, le joint torique est monté plus souvent qu’en statique : à chaque révision ou entretien, le joint est remplacé et la gorge est réinspectée. Le chanfrein du côté d’introduction est important à chaque montage. Sans chanfrein, le joint s’endommage en glissant sur l’arête, même si la force est faible et le joint souple. Un chanfrein de 15 à 20 degrés, avec la longueur z indiquée dans le tableau dimensionnel, évite complètement cela. Vérifiez également que le chanfrein est exempt de bavures après usinage.
Le choix des matériaux pour les joints toriques dynamiques suit en grande partie la même logique que pour les applications statiques, mais avec deux considérations supplémentaires : la résistance à l’usure et le comportement au frottement. Les deux varient selon le matériau et influencent directement la durée de vie et les performances du vérin.
Consultez le guide de résistance chimique et le guide de température des matériaux pour votre application spécifique.
Un joint torique est une solution simple et économique pour l’étanchéité en mouvement alternatif à des pressions, vitesses et exigences de durée de vie modérées. Pour des exigences plus élevées, des profils d’étanchéité spéciaux sont techniquement mieux adaptés. Évaluez cela selon l’application sur la base des trois critères ci-dessous.
Vitesse de course supérieure à 0,5 m/s : la génération de chaleur par frottement augmente rapidement. Les joints à lèvre et les joints annulaires en PTFE ont un coefficient de frottement plus faible et sont plus stables à des vitesses plus élevées.
Durée de vie supérieure à 1 million de cycles : les joints toriques sont ici moins adaptés en raison de la formation de fissures de fatigue dans le caoutchouc. Les joints en U, manchettes ou joints profilés sont conçus pour une longue durée de vie à nombre élevé de cycles.
Pression de service supérieure à 250 bar : à de telles pressions, même des joints de 90 Shore A sans bagues anti-extrusion sont à leur limite. Les joints spéciaux de piston et de tige résistent mieux à l’extrusion sous haute pression.
La géométrie de la gorge est comparable, mais la compression en pneumatique est légèrement plus faible (7 à 13% contre 9 à 16% en hydraulique). La plus grande différence pratique est la lubrification : le fluide hydraulique lubrifie le joint à chaque course. L’air ne le fait pas. En pneumatique, une lubrification volontaire est donc fortement recommandée.
Maintenez la largeur de gorge b1 strictement dans les tolérances indiquées. Une gorge trop large donne au joint l’espace nécessaire pour rouler. Évitez également une compression extrêmement faible à des fréquences de course élevées. Lors du remplacement, contrôlez toujours à nouveau la largeur de gorge : l’usure de la gorge augmente b1 et accroît le risque de twisting.
La surface d’étanchéité doit être de Ra max. 0,4 µm (Rz max. 1,2 µm). C’est quatre fois plus strict que pour les applications statiques. Une surface plus rugueuse use le joint à chaque course, surtout en pneumatique sans lubrification.
En utilisation dynamique, les limites sont plus basses qu’en statique. Au-dessus de 63 bar à 70 Shore A, des bagues anti-extrusion sont recommandées. Les bagues anti-extrusion sont toujours placées du côté basse pression de la gorge. En cas de pression pulsée, des bagues anti-extrusion des deux côtés sont souhaitables.
Le joint lui-même est le même, mais pas la gorge. Les gorges statiques ont un t plus profond (compression plus élevée) que les gorges dynamiques pour le même diamètre de section. Utiliser une gorge statique pour des applications dynamiques entraîne trop de frottement et une usure accélérée. Utilisez toujours la gorge correspondant au type de montage.
Le NBR présente une bonne résistance à l’usure pour la plupart des fluides hydrauliques. Le FKM est légèrement moins résistant à l’usure que le NBR, mais offre une meilleure résistance chimique. En pneumatique sans lubrification, l’EPDM présente de meilleures caractéristiques de fonctionnement à sec que le NBR. Les joints revêtus de PTFE ont le frottement le plus faible, mais sont plus vulnérables aux dommages lors du montage.
Cela dépend de la pression, de la vitesse de course, du fluide, de la lubrification et de la qualité de surface de la surface d’étanchéité. Dans des conditions favorables, des centaines de milliers de cycles sont possibles. À des vitesses plus élevées, avec une lubrification insuffisante ou avec une surface d’étanchéité trop rugueuse, le joint s’use nettement plus vite. Pour les applications nécessitant une durée de vie supérieure à 1 million de cycles, des profils d’étanchéité spéciaux constituent un meilleur choix.
