Introduction à la science des matériaux/Exercices/Comment réaliser une étanchéité ?

Mise en situation

L'étanchéité consiste à séparer deux milieux et à éviter le passage de fluides — gaz ou liquides — et de petites particules (poussières). Il s'agit soit de contenir un fluide sous pression en évitant les fuites — réservoir, vérin, pneumatique, moteur —, soit d’éviter la pollution d'un milieu, pour préserver l'environnement et les personnes ou bien le fonctionnement d'un machine (éviter le « grain de sable dans l'engrenage »).

Cependant, les milieux doivent pouvoir être mis en communication lors de certaines opérations : installation, montage, démontage, maintenance, purge, vidange, … Il faut donc prévoir d'empêcher le passage des fluides et particules tout en permettant le mouvement entre pièces.

Nous considérons un système démontable. Ceci implique donc la présence d'une paroi (carter, enveloppe) faite d'au moins deux pièces à assembler, et exclue les solutions de type soudage, brasage ou collage.

On distingue :

• l'étanchéité statique, lorsque les pièces séparant les milieux ne sont en général pas en mouvement l'une par rapport à l'autre : bouchons, pièces d'un carter ;
• l'étanchéité dynamique, lorsque les pièces séparant les milieux sont fréquemment en mouvement l'une par rapport à l'autre : vérin, roulement, …

Questions

Question 1

Présentez les différentes solutions que vous connaissez pour assurer une étanchéité statique et dynamique.

Question 2

Déterminez les propriétés que doivent avoir les matériaux pour réaliser ces solutions. Indiquer les caractéristiques chiffrées correspondantes, et les matériaux utilisés.

Question 3

Présenter le tout sous la forme d'un diagramme arborescent de type FAST.

Solution

Question 1

• Étanchéité statique : utilisation d'un joint (joint plat, joint torique, joint à quatre lobes, filasse + pâte à joint sur un filetage, ruban de PTFE (Téflon) sur un filetage) ;
• étanchéité dynamique : utilisation d'un joint (joint à lèvres, joint en V), d'une chicane (déflecteur, rondelles Z), d'un soufflet, de pièces parfaitement planes (robinets mitigeurs).

• 
  Joints toriques
• 
  Joints plats
• 
  Joint à lèvre
• 
  Joint à lèvres
• 
  Chicane en F
• 
  Soufflets métalliques
• 
  Plaquettes parfaitement planes de robinet mitigeur

 

Question 2

On distingue quatre types de solution :

1. joints toriques, plats, à lobes, à lèvres, filasse + pâte à joint, ruban de PTFE : le joint s'écrase pour s'adapter aux défauts des surfaces,
   1. il s'écrase de manière réversibles, on utilise l'élasticité du matériau caractérisée par un module de Young E faible : joints en élastomères (« caoutchoucs »), support (carton ou chanvre) + pâte à joint (p.ex. filetage de robinetterie), élastomère + ressort acier (joint à lèvre), joints en acier pour les fortes pressions (> 70 bars, p.ex. segments de piston),
   2. il s'écrase de manière définitive (usage unique), on utilise la ductilité caractérisée par un allongement à la rupture A% élevé : joints en cuivre ;
2. pièces parfaitement planes : les pièces ont une géométrie parfaite qui ne s'altère pas, et qui assure un contact continu, on utilise la dureté caractérisée par une résistance à la traction R_m ou une dureté H_V, H_C, ou H_R élevés : céramiques ;
3. les pièces ont une forme complexe (chicane) qui empêche la graisse de sortir (pertes de charge) et frottent entre elles, on utilise un bon comportement au frottement caractérisé par des faibles coefficients d'adhérence μ_s et de frottement μ_d, et une bonne capacité à être formé :
   1. à être embouti, donc un matériau ductile caractérisé par un allongement à la rupture A% important : acier avec un traitement de phosphatation (pour le frottement),
   2. à être usiné, donc un matériau ayant une limite élastique modérée ;
4. soufflets : le matériau est imperméable au produit et se déforme de manière réversible, on utilise l'élasticité du matériau caractérisée par un module de Young E faible : élastomères, acier.

 

Question 3