standard hydraulique 2000 l’etanchéitéhydro.tg.free.fr/doc/hydro/joint/brochure.pdf · standard...

- 1 -

STANDARD HYDRAULIQUE 2000

IntroductionLes composants hydrauliques, parmi lesquels le vérin est un élément primordial, sont utilisés de façoncroissante sur de nombreuses installations:

Engins de travaux publics, Machines outils, Mécanismes agricoles, Machines de manutention,Installations sidérurgiques, Véhicules, Matériels miniers, etc.…

Leur fonctionnement est étroitement lié au choix des étanchéités et des guidages.Nous présentons dans nos catalogues une large gamme d’éléments d’étanchéité et de guidage performants àusage des constructeurs de composants hydrauliques.

Dans ce manuel, nous allons surtout évoquer les étanchéités entre pièces mobiles (étanchéitésdynamiques), mais les points abordés concernent également en partie les étanchéités statiques.

L’Etanchéité

Le joint d’étanchéité ?Un espace est nécessaire à l’assemblage ou à la mobilitédes pièces entre elles.

Le joint d’étanchéité a pour fonction de fermer le pluspossible cet espace, afin d’empêcher le passage d’unfluide.(voir schéma 1 ci-dessous).

Le joint doit pouvoir exercer sa fonction dans des conditionsextrêmes ou changeantes.Une analyse rigoureuse de nombreux paramètres influençantle fonctionnement est donc capitale.

Une étanchéité dynamique ne peut être efficacelongtemps qu’à deux conditions :

•Un film lubrifiant doit exister sous le joint pour éviterune usure prématurée.•Le joint doit conserver son élasticité le plus longtempspossible.

Choisir ou concevoir un joint, c’est trouver le justecompromis entre :•L’obtention d’un effet d’étanchéité satisfaisant,•L’assurance de la formation d’un film lubrifiant suffisant,•Le maintien d’une élasticité dans le temps.

- 2 -


L’EtanchéitéForces d’étanchéité

et frictionPour bien comprendre le fonctionnement d’un élémentd’étanchéité, le schéma 2 montre les différents étatspossibles d’un joint de tige.•Le diamètre extérieur du joint à l’état libre (ØDJ) estsupérieur au diamètre extérieur du logement (ØD), afinque le joint soit correctement positionné dans sa gorge.•La section du joint à l’état libre (SL) est supérieure à lasection du logement (S), ce qui assure le préserragenécessaire à l’étanchéité initiale.•La pression hydraulique (P) s’ajoute au préserrage (p)renforçant d’autant la force d’étanchéité.•Le film lubrifiant (f), indispensable au bon fonction-nement, est créé par les pressions hydrodynamiques

engendrées par le mouvement qui parviennent à décollerle joint de la surface de glissement.L’épaisseur du film lubrifiant sera variable en fonction dela force d’étanchéité (pression hydraulique et préserrage),de la viscosité du fluide et de la vitesse de déplacement.La friction génératrice d’efforts et d’usure dépenddirectement de l’épaisseur du film lubrifiant.Analysons les aspects caractéristiques du frottement enfonction de la vitesse et, par conséquent, de l’existence ounon du film lubrifiant (schéma 3).•Frottement d’adhérence : on est au début du mouvement,le film lubrifiant n’existe pas, il faut vaincre l’effort dedécollement.•Frottement mixte : la surface de contact entre le jointet la tige varie en fonction de la vitesse, le frottementdiminue, le film lubrifiant est créé, mais il resteirrégulier.•Frottement visqueux ou hydrodynamique : il n’y a plusde contact entre le joint et la surface, le film lubrifiant estrégulier, la contre partie est une augmentation sensible dela fuite.Les joints sont habituellement utilisés dans la zone dufrottement mixte et donc soumis à l’usure.Pour être certain de la parfaite adaptation du joint à lafonction qui lui a été définie, il faudra également analyserune multitude de paramètres interdépendants résumés surle schéma 4.

- 3 -

L’EtanchéitéSTANDARD HYDRAULIQUE 2000

- 4 -


Formes etdimensions...choix

De nombreuses formes existent pour répondre aux con-traintes dues aux conditions de service, à défaut, denouvelles formes sont étudiées en étroite relation avecles matériaux utilisés.

Notre documentation fournit les limites d’emploi pourchaque type de joint, mais devant des données similairesd’un joint à l’autre le choix est souvent difficile.

Le schéma 5 peut vous aider dans le choix d’un joint detige.N’hésitez pas à nous consulter en cas de difficultés.

Voici néanmoins quelques règles générales :•Plus la pression est élevée, plus la section radiale dujoint doit être importante.•Un joint de faible section supporte mal les défautsgéométriques et l’usure.•Les longues lèvres sont moins indiquées pour les fortespressions, mais supportent mieux les défautsgéométriques.•Les joints durs supportent moins bien les bassespressions.•Les joints de tige doivent être parfaitement étanches,contrairement aux joints de piston, pour lesquels ce n’estpas toujours le cas.

L’Etanchéité


- 5 -

MatériauxLe choix du matériau est aussi important que celui de laforme du joint, c’est pourquoi nous avons sélectionné unegamme de matières possédant des caractéristiques adaptéesà notre activité et particulièrement une bonne élasticité.

L’élasticité du matériau est utile pour :

•Permettre au joint de se déformer instantanément afin derépondre aux variations de pression (déformation deréaction).

• Limiter les déformations irréversibles qui sont inévitablesaprès de longues périodes sous contraintes du joint(déformation rémanente après compression).

L’utilisation de matériaux plus rigides est possible enassociation avec un second matériau assurant l’élasticitédécrite ci-dessus.

Le schéma 6 indique les principales familles de matériauxutilisées pour la fabrication des joints d’étanchéité.


- 6 -

Lorsque la pression monte au-delà des 200 bar, la viscositéaugmente fortement et double aux environs de 400 bar.On utilise aussi de plus en plus des fluides biodégradables(HETG, HEPG, HEES).Les fluides difficilement inflammables (HFA, HFC,HFD) sont employés dans les industries où les risquesd’incendie sont importants.Le schéma 7 fournit une classification des différents fluideshydrauliques et de leur compatibilité avec nos matériauxstandards.Il faut également préciser que les fluides ne doiventcontenir ni particules contaminantes (filtration à sur-veiller), ni air emprisonné (risque de décompressiondestructrice, voire d’effet Diesel).

Fluides hydrauliques

Le fluide hydraulique le plus employé est l’huile minéraleen raison de son pouvoir lubrifiant et de sa viscositérelativement élevée.La viscosité des huiles hydrauliques mesurée à 40°C estutilisée comme mode de classification (DIN/ISO 51519).La viscosité est variable en fonction de la température etde la pression.Lorsque la température monte, la viscosité diminue, lerisque de fuite augmente, c’est pourquoi il est préférablede choisir une huile possédant un index de viscosité (VI)élevé, moins sensible aux variations de température.

L’Etanchéité


- 7 -

TempératuresLa température normale d’utilisation des joints devrait sesituer entre 40 et 50°C.

En tenant compte du travail intensif de certains vérins, dela chaleur environnante et du frottement au niveau de lalèvre du joint, il faut souvent considérer des températuresde l’ordre de 80 à 100°C. (Reportez-vous au schéma 7page 6).

Pour les températures extrêmes (basses ou hautes), desmatériaux spécifiques existent.

Le schéma 9 résume l’influence de la température surdifférents paramètres.

PressionsLes vérins standards sont conçus pour être utilisés à despressions maxi de 16 MPa, 25 Mpa et 40 Mpa. Cespressions théoriques ne sont pas les seules à prendre encompte lors du choix des joints.

Les pressions d’utilisation réelles varient constammentet des chocs de pression sont fréquents dans certainesutilisations.

Les pressions hydrodynamiques engendrées par lemouvement dans le guidage peuvent atteindre des valeursplusieurs fois supérieures à la pression nominale.Le schéma 8 représente ce phénomène appelé pression deremorque.

La réalisation d’une rainure hélicoïdale dans le guidagemétallique ou l’utilisation de bagues de guidage nonmétalliques munies d’une coupe correcte suffit à résoudrele problème.


- 8 -

L’EtanchéitéVitesses

Comme cela a été mentionné dans le para g r a p h e“ Forces d’étanchéité et friction”, la vitesse joue un rôleprimordial dans la formation du film lubrifiant et donc dufrottement.

A très faible vitesse (inférieure 0,1 m/s), le fait de passerconstamment du frottement d’adhérence (décollement) aufrottement mixte peut créer un phénomène de déplacementpar saccades (stick-slip).

Ce phénomène est amplifié si la faible vitesse est com-binée avec un serrage important du joint, une hautetempérature, un fluide non lubrifiant ou un matériau àcoefficient de frottement élevé.L’utilisation de matériaux à base de PTFE peut résoudrele problème.

Les vitesses supérieures à 0,5 m/s requièrent des systèmesparticuliers pour réduire le frottement et limiter les fuitesdues à l’importance du film lubrifiant.La plupart des applications se situe entre 0,1 et 0,5 m/s.

FonctionLes conditions de service classiques que sont la pression,la vitesse, la température ou le fluide ne suffisent pas poursélectionner le joint le mieux adapté. Il faudra connaîtreégalement les éléments suivants :

•Type d'industrie et environnement,

•Positionnement du composant : horizontal, vertical, etc,

•Description du cycle de travail : courses, temps, variationsde pression et de vitesse,

•Fréquence de cycles,

•Durées de service et d'immobilisation.

Rugosité et portanceLa rugosité de la surface de glissement a une influenceconsidérable sur la qualité de l’étanchéité et sur la duréede vie du joint.

Petit rappel sur les valeurs utilisées pour mesurer lesrugosités :•Ra : sur une longueur de mesure donnée, on relève tousles écarts pics/creux consécutifs et l’on en fait la moyennearithmétique.•Rt : sur la longueur de mesure, on relève l’écart entre lepic le plus haut et le creux le plus bas.• Rmax et Rz : la longueur de mesure est divisée en cinqlongueurs consécutives et égales, l’écart entre le pic leplus haut et le creux le plus bas est relevé pour chacunede ces longueurs, Rmax est la valeur mesurée la plusimportante, Rz est la moyenne des valeurs mesurées.•Rp : écart entre le pic le plus haut et la droite médianedu profil d’étanchéité (profondeur d’aplanissement).Toutes ces valeurs sont importantes, toutefois un élémentessentiel doit être pris en considération, c’est la portancequi est le rapport en pourcentage entre la surface d’appuiet la longueur de mesure de rugosité pour une profondeurde coupe donnée. (Schéma 10).

Ce taux de portance (Tp) doit au moins être de 50% pourune profondeur de coupe c = Rz/2.

Nous conseillons une valeur Rp comprise entre 20 et 40%de la valeur Rt indiquée pour chaque type de joint.Une valeur Rp conforme n’évite pas les angles vifs(pointes) dûs aux usinages par enlèvement de matière,c’est pourquoi certains procédés écrasant les pics derugosité sont recommandés (galetage ou brunissage).


- 9 -

Le non-respect de ces valeurs entraîne un phénomèned’extrusion détruisant le joint plus au moins rapidementselon la résistance au fluage du matériau employé.

Le renforcement du talon du joint par une bague résistanteau fluage solutionne souvent le problème.Le schéma 11 représente le phénomène d’extrusion.Le schéma 12 résume les jeux admissibles en fonctionde la pression pour différentes familles de matériauxutilisés.

Pour être complet, il faut préciser d’une part que latempérature ou la nature du fluide en contact modifie larésistance mécanique du matériau utilisé et d’autre part quel’extrusion est variable selon la vitesse de glissement.A notre avis, il est nécessaire de distinguer extrusionstatique et extrusion dynamique.

Jeux (et extrusion)Des ajustements normalisés sont utilisés pour permettrel’assemblage et la mobilité des pièces entre elles. Un jeude fonctionnement est créé.

D’autres causes peuvent être créatrices de jeux :•L’utilisation de bagues de guidage non métalliquesspécialement prévues pour éviter les ajustementsmétal/métal.•Les usures résultant du fonctionnement.•Les déformations des pièces métalliques sous l’effet dela pression.

Nous précisons dans nos catalogues des valeurs de jeuacceptables pour assurer un fonctionnement correct sousl’effet du couple pression/vitesse.

L’Etanchéité

- 10 -


L’Etanchéitésurtout pour les montages de séries. Leur conicité doit être comprise entre 5° et 10°, pour une longueursupérieure à trois fois la section du joint (S).•Le calibrage des joints " composites " après mise enplace de leurs gorges est indispensable,•A l'aide d'une douille pour les joints de piston de petitdiamètre,•A l'aide d'un collier plastique pour les grands diamètreset/ou les fortes sections,•A l'aide d'un mandrin pour les joints de tige,•Les cônes, douilles, mandrins peuvent être réalisés enPOM ou PA et doivent avoir un état de surface soigné(R0,4).

Lorsqu'un système hydraulique a été bien conçu et réalisé,que les joints ont été correctement sélectionnés,négliger le montage serait compromettre le fonctionnementfutur, c'est pourquoi les règles générales suivantes sont àrespecter :•Le montage doit s'effectuer dans un endroit propre,•Les pièces et outils relatifs au montage doivent êtresoigneusement nettoyés afin d'éliminer les salissures,résidus d'usinage, etc.…, ennemis des joints et plusgénéralement des systèmes hydrauliques.•Les chanfreins d'entrée de cylindres ou de tiges doiventêtre correctement dimensionnés et lisses.

ANGLE 20° - longueur 0,5 x section du joint - rugosité Rt < 4µm

•Les arêtes entre chanfreins et surfaces de glissementdoivent être arrondies et polies.•Les joints que l'on s'apprête à monter doivent correspondreaux nomenclatures, les références et/ou les dimensionsgravées permettent de les identifier.•Quel que soit le matériau, le chauffage du joint dans unbain d'huile à 80°C permet un assouplissement et unelubrification favorable au montage.•Tous les obstacles devant être franchis par les joints lorsdu montage doivent être recouverts (arêtes, filetages,autres gorges, etc.…)•Sauf contres indications, la lubrification des joints avantmontage à l'aide d'une huile ou graisse compatible estconseillée.

Logements et montagesDeux types de logements sont utilisés :•Logements fermés sous forme de gorges usinées,•Logements ouverts dits " démontables " qui peuvent êtreéventuellement réglables pour le montage de garnitures àempilage (chevrons).

Le schéma 13 page 11 illustre les différents types delogements.

Les normes ISO 5597 (joints de tige et de piston), ISO6547 (joints de piston avec guidages intégrés), ISO 6195(racleurs) et ISO 7425 (joints " composites ") proposentun choix de logements repérés dans nos catalogues.

La plupart des joints actuels sont suffisamment déformablesmanuellement ou à l'aide d'outillages spécifiques pourêtre placés dans les logements fermés.

Des logements ouverts doivent être prévus dans les cassuivants :•Diamètre intérieur du joint inférieur à 25 mm,•Diamètre intérieur du joint inférieur à sept fois sasection (S) (la hauteur du joint étant inférieure ou égale à1,5 fois sa section),•Joints de piston à base de textile enduit,•Garnitures à empilage.

Des dimensions limites pour montage par déformationsont fournies dans nos listes dimensionnelles. Les hauteursde gorge sont légèrement supérieures à celles desjoints, exception faite pour les garnitures " chevron " quidoivent être serrées axialement.

Les schémas des pages 12 et 13 montrent quelques outillagesfacilitant les opérations de montage tout en évitantd'éventuelles détériorations sur les joints.

Quelques remarques s'imposent :•Les joints de tige sont généralement mis en forme deharicot pour être montés en gorge fermée, des pincesspéciales peuvent être utilisées (photos page 12).•L'utilisation de cônes d'entrée intérieurs ou extérieurs estconseillée, quel que soit le type de joint ou de gorge


- 11 -


- 12 -


- 13 -


- 14 -

Défauts de fabricationGrâce à leur élasticité, les joints sont capables de compenserles petits défauts de géométrie des pièces métalliques(parallélisme, perpendicularité, concentricité) ainsi queles ondulations légères. Ils sont beaucoup plus sensibles àces défauts lorsque ceux-ci sont associés à de mauvaisétats de surface. (voir paragraphe rugosité et portance).

CoursesLorsque les courses sont inférieures à 50 mm ousupérieures à 1000 mm, le choix des joints est plusdifficile.Les petites courses ne permettent pas la formation d’unfilm lubrifiant. Les longues courses provoquent unéchauffement du joint et sont souvent synonymes dedéfauts de construction (flambage, excentricité).L’utilisation de profils et de matériaux faible frottements’impose.

Qualité des surfacesQuelques informations :• En théorie, la dureté des surfaces de glissement doit êtrela plus élevée possible. (40 - 60 HRc)• Certains traitements ont pour but d’augmenter la duretésuperficielle et/ou de protéger contre l’oxydation.(Chromage, Anodisation, Céramique).• Les cylindres sont successivement usinés, rodés ougaletés.• Les tiges sont successivement usinées, rectifiées ougaletées, chromées et polies.

• Les logements sont tournés et rectifiés.

• Toutes les rayures concentriques ou hélicoïdales sontproscrites.• Les écarts de surface sont abordés dans le chapitrerugosité et portance.

Conclusion, joints ou systèmes d’étanchéité ?

Les performances de plus en plus élevées demandées auxmachines entraînent des conditions d’utilisation extrêmespour les joints.Le plus souvent un joint unique ne suffit plus pourrépondre à ces exigences, c’est pourquoi, il est plusjudicieux de parler de système d’étanchéité regroupantplusieurs éléments et assurant les fonctions d’étanchéité,guidage et raclage.Les joints individuels doivent être conçus spécialementpour une utilisation dans un système.

Un système est le plus souvent composé de :• un joint primaire qui supporte la pression de service,• un joint secondaire qui termine l’étanchéité,• un racleur qui empêche l’entrée d’impuretés dans lesystème, mais doit aussi parfois racler le film d’huilesortant,• un ou plusieurs éléments de guidage.

Les schémas ci-contre montrent de tels systèmes.


- 15 -


ConstatLa fiabilité des composants hydrauliques dépend princi-palement des joints.Les interventions relatives au remplacement des jointscoûtent cher.

Diverses détériorations possibles des joints hydrauliquessont expliquées ci-dessous:

Détériorations possiblesdes joints hydrauliques :

1) Détériorations dues à une mauvaise utilisation•Vérifier les pressions, vitesses et températures.•Attention aux pressions de remorque et aux pressionsparasites entre deux joints.•Attention aux températures dues aux frottements soushautes pressions ou à la présence d’air non dissout dansl’huile.

2) Détériorations dues aux fluides•Agressivité chimique du fluide.•Pollution par des particules extérieures entrées dans lesystème ou générées par l’usure.•Mauvais pouvoir lubrifiant (basse viscosité)

3) Détériorations dues aux états de surface•Mauvais états principalement des surfaces dynamiques,qui usent rapidement le joint ou le rayent.

4) Détériorations dues aux jeux et géométriesimparfaits•La principale est l’extrusion conséquente à un jeu tropimportant.•Attention, les jeux et géométries peuvent changer enfonction des pressions, efforts mécaniques ou tempéra-tures.

5) Détériorations dues à la présence d’air nondissout dans l’huileLes conséquences en sont des phénomènes d’érosion, decavitation et de petits effets diesel.Ces éléments entraînent de l’échauffement, de l’usure etsouvent la destruction complète du joint.

Des explications complémentaires concernant les causesde destruction des joints peuvent être fournies par notreservice technique.

- 16 -

standard hydraulique 2000 l’etanchéitéhydro.tg.free.fr/doc/hydro/joint/brochure.pdf · standard...

Documents