Grâce à l’utilisation de techniques d’analyse avancées et à la mise au point de nouveaux matériaux sur mesure, les ingénieurs SKF ont développé une nouvelle gamme de joints de piston de vérin hydrauliques.

Le joint de piston est un composant essentiel pour le bon fonctionnement des vérins hydrauliques. Placé dans un logement, ce joint doit retenir le fluide hydraulique sous haute pression, sans entraver le mouvement du piston dans le vérin. La plupart des vérins hydrauliques fonctionnent dans deux directions (double effet) et le joint doit donc être capable de résister à la pression en provenance d’un côté ou de l’autre. En raison de la conception des joints de piston, les ingénieurs doivent maintenir un équilibre délicat entre frottement et performances d’étanchéité.

Si le joint laisse s’échapper une quantité excessive de fluide du côté haute pression du vérin vers le côté basse pression, ses performances sont compromises. Un frottement trop important sur la paroi du vérin accélère également l’usure et réduit la durée de service du joint. La défaillance d’un joint de piston, appelée « blow-by », peut avoir de graves conséquences sur le fonctionnement des équipements utilisés pour la construction ou de traitement des matériaux avec le risque de perte de contrôle de leur charge.

Les matériaux utilisés, essentiels pour la fiabilité du piston

Les joints de piston présentent aussi un défi technique en termes de matériaux. Les fluides hydrauliques à hautes températures et pressions mettent les matériaux d’étanchéité à rude épreuve et peuvent entraîner la dilatation et la contraction d’autres composants pendant le fonctionnement.

Le matériau souvent sélectionné pour répondre à ces exigences est le PTFE. Il présente des coefficients de frottement par glissement et statique exceptionnellement faibles ainsi qu’une bonne résistance chimique. Les joints en PTFE présentent toutefois quelques limites. La plus notable est l’élasticité limitée du matériau avec un risque d’endommagement des joints lors du montage. Les joints en PTFE doivent être étirés à l’aide de manchons spéciaux avant l’installation, puis être étalonnés au bon diamètre. En outre en raison de la plasticité du PTFE, ce matériau reprend difficilement sa forme lorsqu’il est soumis à des charges en inversion constante.

Afin de remédier à ces contraintes, une équipe d’ingénieurs SKF a développé une technologie d’étanchéité différente à partir d’un polyuréthane éprouvé : l’ECOPUR.

Une nouvelle technologie développée par SKF : l’ECOPUR

« La fabrication d’un joint en polyuréthane offrant les mêmes performances que les joints en PTFE n’a pas été chose facile. En raison du jeu important entre le piston et la paroi du vérin, il y a un fort risque d’extrusion du joint. Le matériau doit donc présenter une résistance suffisante à l’extrusion afin de maintenir sa forme dans toutes les conditions de fonctionnement possibles », explique Wolfgang Swete, responsable du département R&D Fluid Seals Strategic Product Line.

Les premiers tests de prototypes de joints fabriqués en polyuréthane Ecopur réalisés par SKF montraient une dureté très élevée mais ne furent pas convaincants. L’entreprise a réagit en fabriquant un Ecopur spécial pour les joints de piston. Ce nouveau matériau – X-Ecopur PS – présente une dureté supérieure à celle des polyuréthanes fabriqués jusque là par SKF.

Afin de vérifier la durabilité du nouveau matériau, SKF a réalisé une série de tests d’extrusion statiques. Pour cela, elle a installé des échantillons de matériau dans un dispositif appliquant de l’huile à 500 bar pour tenter de pousser le matériau à travers des jeux d’extrusion de différentes tailles, entre 0,15 mm et 0,7 mm.

Ces échantillons sont restés en place pendant deux semaines à des températures comprises entre 60 et 100 °C, puis leur déformation permanente a été mesurée.

« Le X-Ecopur PS présentait des performances largement supérieures aux alternatives disponibles sur le marché », commente M. Swete.

Une fois le matériau déterminé, l’équipe SKF avait pour objectif de concevoir une géométrie d’étanchéité optimale. Pour cela, les ingénieurs avaient à disposition un processus de développement de produits bien établi. Il combine une simulation informatique approfondie avec des techniques par éléments finis, la production rapide de prototypes grâce à des machines-outils à commande numérique et des essais physiques sur des équipements de test dynamiques et statiques sur mesure.

Ce processus itératif a permis à l’entreprise de mettre au point une solution dans laquelle la géométrie de la surface extérieure de la bague de glissement en polyuréthane présente une forme en M peu profonde avec deux lèvres d’étanchéité parfaitement optimisées.

« Un profil de joint avec des points d’étanchéité prononcés fournit des forces d’étanchéité plus efficaces qu’une surface plate. Les performances du joint sont ainsi améliorées tout en réduisant la résistance due au frottement créée par le joint », explique M. Swete. « Et la concentration des forces sur deux bords d’étanchéité plutôt qu’un seul permet d’éviter l’inclinaison du joint pendant le fonctionnement, qui risquerait d’entraîner une défaillance prématurée. »

L’anneau de précharge des joints de la nouvelle gamme a également été optimisé. Ce composant en caoutchouc souple, situé sous la bague de glissement en polyuréthane dans le logement du piston, pousse la bague vers l’extérieur, contre la paroi intérieure du vérin. Sur les joints de série légère, l’anneau de précharge est un simple joint torique, tandis que les conceptions moyenne et haute résistance utilisent un anneau de précharge en caoutchouc nitrile de forme spéciale.

Des essais extrêmes pour des performances accrues

Dans la nouvelle conception SKF, des évents latéraux ont été incorporés dans les parois latérales radiales de la bague de glissement afin d’assurer l’activation de l’anneau de précharge sous la pression.

Le joint peut ainsi changer rapidement de position lors du changement de direction de la pression, réduisant le risque de « blow-by » et de perte de fonctionnalité du vérin. Les évents latéraux réduisent également la probabilité de l’apparition d’un piège de pression lorsque la bague de glissement assure l’étanchéité contre les parois radiales de la garniture du joint pouvant également réduire les fonctionnalités du vérin. Les joints prototypes ont été soumis à d’autres essais approfondis, avec plus de 200 km de mouvements d’allée et venue dans un vérin de test de 400 mm à des pressions pouvant atteindre 250 bar et des températures de 80 °C. Le frottement et les fuites ont été mesurés pendant les tests et, à l’issue des essais, les joints ont été mesurés et examinés pour contrôler l’extrusion et l’usure de surface.

Une gamme complète de joints basés sur l’ECOPUR

SKF dispose aujourd’hui d’une gamme complète et innovante de joints de piston parfaitement adaptée à de nombreuses applications hydrauliques. La gamme LPV pour applications légères à joint torique est conçue pour les équipements fixes à l’intérieur tel que les machines de production. Ces joints sont parfaitement adaptés pour des pressions allant jusqu’à 250 bar, des vitesses de 0,5 m/s et des températures comprises entre -20 et 100°C.

La gamme haute résistance MPV pour applications moyennes est destinée aux équipements agricoles. Dimensionnés pour s’adapter aux logements en cotes métriques, les joints MPV peuvent résister à des pressions pouvant atteindre 400 bar, des vitesses de 1 m/s et des températures comprises entre -20 et 110 °C.

Une troisième gamme de joints, portant la désignation DPV, offre les mêmes caractéristiques de fonctionnement que la gamme MPV pour les logements en cotes pouces.