Rainure pour joint torique - Statique

Qu’est-ce que l’étanchéité statique ?

L’étanchéité statique signifie que les pièces de machine à étancher n’effectuent aucun mouvement l’une par rapport à l’autre. Le joint torique est logé dans une gorge et comprimé lors du montage. Cette compression, le serrage, crée la pression de contact sur les surfaces d’étanchéité. Tant que cette pression de contact est supérieure à la pression de service du fluide, l’étanchéité reste assurée.

L’étanchéité statique impose d’autres exigences que l’étanchéité dynamique. Il n’y a pas d’usure due au mouvement, pas de risque de twisting et pas de frottement à maîtriser. Mais il existe bien des exigences concernant la géométrie de la gorge, l’état de surface et le choix du matériau, qui sont tout aussi déterminantes pour le résultat que dans les applications dynamiques. La plupart des problèmes de fuite dans les joints toriques statiques ne viennent pas du joint lui-même, mais de la gorge : fraisée trop profondément, sans chanfrein, ou avec une surface d’étanchéité trop rugueuse.

Règle de base : si les deux pièces restent immobiles après le montage, il s’agit d’une application statique. Si l’une des pièces bouge, c’est dynamique.

Les cinq types de montage statiques en un seul aperçu

Il existe cinq types de montage statiques normalisés pour les joints toriques. Ils diffèrent par la forme de la gorge, le sens de compression, le domaine d’application et les exigences qu’ils imposent à l’usinage. Le tableau ci-dessous donne un aperçu comparatif direct.

Compression radiale statique : le standard

La compression radiale est le type de montage statique le plus utilisé et le choix standard pour les liaisons cylindriques. Le joint torique est comprimé dans la direction radiale entre deux surfaces cylindriques. La gorge se trouve dans le composant intérieur ou extérieur. La compression recommandée se situe entre 15 et 30% du diamètre du tore. Il s’agit d’une large plage qui laisse de la marge pour les tolérances de conception sans mettre l’étanchéité en danger.

La compression radiale convient aux bouchons, tiges, alésages et à toutes les constructions où deux surfaces cylindriques sont emboîtées concentriquement. La gorge comporte six paramètres : diamètre du tore (d2), profondeur de gorge (t), largeur de gorge (b1), longueur du chanfrein (z) et deux rayons d’arrondi (r1 et r2). Tous sont directement dérivés de d2.

Plus d’informations et le tableau dimensionnel complet : voir l’article Dimensions de gorge pour joint torique en compression radiale statique dans notre base de connaissances.

Compression axiale statique : pour couvercles et brides

Dans la compression axiale, le joint torique est comprimé dans la direction de l’axe, entre deux surfaces planes opposées. L’exemple classique est un couvercle serré sur un boîtier, ou deux brides boulonnées ensemble. La gorge se trouve dans l’une des surfaces planes opposées.

La différence critique par rapport à la compression radiale réside dans la direction de la pression. En cas de surpression interne, le joint doit se trouver contre la paroi extérieure de la gorge et il est comprimé de 1 à 3%. En cas de pression externe, le joint se trouve contre la paroi intérieure et peut s’étirer jusqu’à 6% au maximum. Si vous placez le joint du mauvais côté, la pression l’éloigne de la surface d’étanchéité au lieu de l’y plaquer. C’est l’erreur la plus courante dans les applications axiales.

Paramètres complets de gorge et tableau dimensionnel : Dimensions de gorge pour joint torique en compression axiale statique.

Gorge trapézoïdale statique : le joint qui reste en place

La gorge trapézoïdale résout un problème pratique : après sa mise en place, le joint torique ne peut plus tomber hors de la gorge. La gorge n’est pas rectangulaire mais trapézoïdale en coupe, avec un fond plus étroit que l’ouverture. Le joint se bloque ainsi dès qu’il est entièrement inséré. Dans les montages en hauteur ou avec des éléments de machine ouverts régulièrement, cela évite les reprises et les joints perdus.

La fabrication est plus complexe qu’avec une gorge rectangulaire : une fraise de profil spéciale est nécessaire. Les tolérances sur la profondeur et la largeur sont symétriques et plus serrées (±0,05 mm). Les performances d’étanchéité elles-mêmes sont comparables à celles d’une gorge rectangulaire à compression identique. La gorge trapézoïdale n’est pas une amélioration universelle, seulement une solution ciblée à un problème de montage spécifique.

Tableau dimensionnel et conseil d’application : Dimensions de gorge pour la gorge trapézoïdale statique.

Gorge triangulaire statique : seulement si nécessaire

Pour l’étanchéité des couvercles ou des brides, nous recommandons normalement une gorge rectangulaire. La gorge triangulaire est une exception : elle n’est utilisée que lorsqu’une gorge rectangulaire n’est pas réalisable d’un point de vue constructif, par exemple en cas de profondeur de matière insuffisante ou sur une pièce existante où le fraisage pose un problème structurel.

La gorge triangulaire n’a que trois paramètres : diamètre du tore (d2), largeur de gorge (b) et rayon de fond (r3). Les tolérances sont plus serrées que pour les autres types de gorge. La zone de contact du joint est plus étroite, ce qui génère des contraintes locales plus élevées dans le caoutchouc à des pressions plus importantes. N’utilisez jamais la gorge triangulaire par préférence, mais uniquement lorsque la conception l’exige vraiment.

Tableau dimensionnel et conditions : Dimensions de gorge pour la gorge triangulaire statique.

Étanchéité statique sous vide : d’autres règles

L’étanchéité sous vide avec des joints toriques impose des exigences différentes en matière de gorge, de surface et de choix du matériau. En surpression, la pression de service aide : elle plaque davantage le joint. En vide, cette aide disparaît complètement. Le joint doit assurer l’étanchéité grâce à sa propre précontrainte élastique, tout en limitant la diffusion des molécules de gaz à travers le caoutchouc.

Cela impose une gorge pleine : le joint doit remplir la gorge à environ 100%. Pour cette raison, la tolérance sur la profondeur de gorge t est négative (la gorge peut être moins profonde, pas plus profonde), la tolérance sur la largeur b est symétrique et plus serrée, et l’exigence de surface est Ra max. 0,8 µm, plus stricte que la valeur standard de 1,6 µm. Le FKM (caoutchouc fluoré) offre en pratique les meilleures performances pour les applications sous vide en raison de sa faible perméabilité aux gaz.

Spécifications complètes pour le vide : Dimensions de gorge pour l’étanchéité statique sous vide.

Exigences communes : état de surface et largeur de jeu

Quel que soit le type de gorge, les mêmes normes de base pour l’état de surface et la largeur de jeu s’appliquent à toutes les applications statiques. Ce sont les deux facteurs les plus souvent négligés : la géométrie de la gorge est correcte, mais le système fuit quand même. Dans presque tous les cas, la cause se trouve ici.

État de surface

La qualité de surface de la surface d’étanchéité détermine directement l’étanchéité, en particulier à faible pression de service lorsque la pression de contact du joint est limitée. Une seule rainure d’usinage ou rayure suffit à créer un chemin de fuite continu le long du joint. En vide, des valeurs plus strictes s’appliquent.

Largeur de jeu et risque d’extrusion

Un jeu trop large entre les composants à étancher provoque, à pression plus élevée, une extrusion : le caoutchouc est poussé dans l’ouverture et endommagé de manière irréversible. La largeur maximale du jeu dépend de la pression de service et de la dureté du joint torique. Pour les matériaux en silicone, les valeurs doivent être divisées par deux.

Au-dessus de 100 bar, des bagues anti-extrusion sont recommandées du côté basse pression de la gorge, quelle que soit la dureté.

Choix des matériaux pour les applications statiques

La géométrie de la gorge est identique pour tous les matériaux. Ce qui varie selon le matériau, c’est la résistance chimique, les limites de température et, en vide, la perméabilité aux gaz. Les choix ci-dessous servent de ligne directrice pour les applications les plus courantes. Vérifiez toujours la compatibilité avec votre fluide spécifique.

• NBR: huile et eau, jusqu’à +100 °C : le NBR est le choix standard.
• EPDM: eau chaude, vapeur, applications extérieures, liquide de frein : EPDM.
• FKM (Viton): produits chimiques agressifs, températures plus élevées, jusqu’à +200 °C : FKM.
• Silicone / PTFE: températures très basses ou élevées, alimentaire et médical : silicone ou PTFE.
• FFKM: presque tous les fluides, jusqu’à +270 °C : FFKM.

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Quand un joint torique n’est-il pas le bon choix ?

Un joint torique convient parfaitement à l’étanchéité statique dans la plupart des applications industrielles. Il existe cependant des situations où d’autres solutions d’étanchéité offrent de meilleures performances. Si les conditions correspondent à l’un des points ci-dessous, il vaut la peine d’envisager des alternatives.

Pressions de service extrêmes au-dessus de 400 bar : à de telles pressions, les joints métalliques plats ou les joints élastomères spécialement conçus sont plus adaptés. Les joints toriques nécessitent, à très haute pression, des bagues anti-extrusion et des jeux plus faibles.

Forts cycles thermiques : avec des cycles de température répétés, les élastomères se relâchent et perdent leur précontrainte. Des ressorts métalliques ou des joints à rappel peuvent offrir de meilleures performances ici.

Exigences de vide extrêmement élevées (en dessous de 10-10 mbar) : pour l’ultra-haut vide, les joints métalliques (comme les crush rings en aluminium ou en cuivre) sont la norme. Les joints toriques sont insuffisants dans de telles conditions en raison de la diffusion à travers l’élastomère.