Technologie d'étanchéité et choix des matériaux dans les systèmes hydrauliques

L'étanchéité est la clé d’un bon fonctionnement d’un système hydraulique. Toute fuite d’huile au niveau du cylindre ou du piston, ou toute pénétration de saleté à l’intérieur, réduit la durée de vie de l’ensemble du système et diminue son rendement.

Pour empêcher les fuites d’huile et l’entrée de saleté, l’industrie a mis au point de nombreux joints d’étanchéité, techniques et méthodes différents. Chacun présente ses propres avantages. Dans certaines applications exigeantes, un seul joint peut ne pas suffire ; les ingénieurs utilisent alors un système d’étanchéité complet.

Choix et utilisation des systèmes d’étanchéité

Un système d'étanchéité est généralement composé de plusieurs joints spéciaux qui agissent conjointement pour assurer de hautes performances globales. Un système d'étanchéité pour cylindre haute pression comporte normalement quatre éléments : un essuie-glaces, un joint de tige (ou joint principal), un joint tampon (ou joint secondaire) et une bague de guidage.

Les quatre matériaux les plus couramment utilisés aujourd'hui pour les joints hydrauliques sont le polyuréthane (PU), le caoutchouc nitrile (NBR), le caoutchouc fluoré (FKM) et le polytétrafluoroéthylène (PTFE).

Comment choisir le bon matériau

Le choix du matériau dépend des conditions de fonctionnement. Différents produits chimiques réagissent

différemment avec chaque matériau, et certains peuvent supporter des pressions ou des températures plus élevées. Le matériau doit également résister à l'écrasement. Le choix approprié dépend donc toujours de l'application précise.

Voici les matériaux d'étanchéité les plus courants et leurs principales aptitudes.

1. Polyuréthane (PU)

Le polyuréthane est un matériau plastique résistant comportant de nombreux groupes uréthane dans sa structure chimique. Il s'agit d'un type d'élastomère thermoplastique. Il présente des propriétés intermédiaires entre celles du plastique rigide et celles du caoutchouc, comblant ainsi le fossé entre ces deux matériaux.

Ses propriétés découlent de trois ingrédients principaux : le polyol, le diisocyanate et l’agent de prolongement de chaîne. Le type et la quantité de chacun d’eux, ainsi que leur mode de réaction, déterminent les performances finales. Le polyuréthane offre généralement :

· Une résistance mécanique élevée

· Une résistance à l’allongement élevée

· Une très bonne résistance à l’usure

· Une excellente flexibilité

· Une rigidité ajustable sur une large plage

· Une large gamme de dureté tout en conservant son élasticité

· Une bonne résistance à l’ozone et au vieillissement

· Une excellente résistance à l’usure et au déchirement

·Bonne résistance à l'huile et à l'essence

Plage de température : -30 à 80 °C. Des types spéciaux haute performance peuvent supporter jusqu'à 110 °C pendant de longues périodes dans de l'huile minérale.

2. Caoutchouc nitrile (NBR)

Le NBR est constitué de butadiène et d'acrylonitrile. La teneur en acrylonitrile (ACN) modifie fortement ses propriétés :

·Élasticité

·Résistance au froid

·Perméabilité aux gaz

·Déformation rémanente sous compression

·Résistance au gonflement dans l'huile minérale, la graisse et les carburants

Le NBR à faible teneur en ACN est très souple à basse température (jusqu'à environ -45 °C), mais offre seulement une résistance moyenne à l'huile et aux carburants. Le NBR à forte teneur en ACN présente la meilleure résistance à l'huile et aux carburants, mais peut uniquement

rester souple jusqu'à -3 ℃. À mesure que la teneur en acrylonitrile (ACN) augmente, l'élasticité diminue et la déformation rémanente s'aggrave.

Le NBR est performant pour :

· Résister au gonflement dans les hydrocarbures aliphatiques, les graisses, les huiles hydrauliques ignifuges HFA/HFB/HFC, les huiles végétales et animales, les carburants légers et le gazole

· Résister à l'eau chaude jusqu'à 100 ℃ (par exemple dans les installations de plomberie), aux acides faibles et aux alcalis faibles

· Offrir une résistance moyenne aux carburants fortement aromatiques

Il gonfle fortement en présence d'hydrocarbures aromatiques, d'hydrocarbures chlorés, d'huiles hydrauliques ignifuges HFD, d'esters, de solvants polaires et de liquide de frein à base de glycol.

Plage de température : -40 à 100 ℃ (ponctuellement jusqu'à 130 ℃). Des formulations spéciales permettent d'atteindre -55 ℃ à basse température. Au-delà de cette limite, le matériau devient rigide.

3. Caoutchouc fluoré (FKM)

Le FKM est obtenu par copolymérisation du fluorure de vinylidène (VF) avec différentes quantités d’

hexafluoropropylène (HFP), de tétrafluoroéthylène (TFE) et d'autres ingrédients. La formulation et la teneur en fluor (65 % à 71 %) déterminent sa résistance aux produits chimiques et aux basses températures. Il peut être réticulé à l'aide de diamines, de bisphénols ou de peroxydes organiques.

Le FKM est connu pour :

· Excellente résistance aux hautes températures

· Résistance exceptionnelle aux huiles, à l’essence, aux huiles hydrauliques et aux solvants hydrocarbures

· Bonne résistance au feu

· Très faible perméabilité aux gaz

· Gonflement important dans les solvants polaires, les cétones, les huiles hydrauliques ignifuges de type Skydrol et les liquides de frein

Plage de température : environ -20 à 200 °C (ponctuellement jusqu’à 230 °C). Des grades spéciaux peuvent fonctionner de -50 à 200 °C.

4. Polytétrafluoroéthylène (PTFE)

Le PTFE est fabriqué à partir de tétrafluoroéthylène. Ce matériau non élastique est particulier car :

· Sa surface est très lisse et stable

·Il est non toxique jusqu'à 200 ℃ ·Frottement extrêmement faible contre presque toute autre surface : le frottement statique et le frottement dynamique sont quasiment identiques

·Excellente isolation électrique (presque insensible à la fréquence, à la température ou aux conditions météorologiques)

·Résistance chimique supérieure à celle de tout autre plastique ou caoutchouc

·Attaqué uniquement par les métaux alcalins liquides et quelques composés fluorés à haute température

Plage de températures : de -200 ℃ à 260 ℃. Même à des températures très basses, il conserve une certaine souplesse, ce qui explique son utilisation dans de nombreuses applications en environnement extrêmement froid.

comme le PTFE n’est pas très élastique et peut présenter un fluage au fil du temps, la plupart des joints hydrauliques associent un ressort ou une pièce en caoutchouc afin de maintenir la lèvre bien serrée.

Conceptions courantes de joints dans les vérins hydrauliques

Voici les types de joints les plus couramment utilisés dans les vérins hydrauliques.

1. Joints de piston

·Joint entre le piston et le tube du vérin — essentiel au bon fonctionnement du vérin

·La conception la plus courante est une garniture à lèvre, mais des joints toriques ou des joints en forme de T sont également utilisés

·Doit assurer un joint étanche tout en maintenant un frottement faible

·Fabriqué dans différents matériaux selon l’application

·Nécessite la pression du système pour plaquer la lèvre étroitement

2. Essuie-glaces (joints anti-poussière)

·Action de raclage puissante pour empêcher la boue, l’eau, la poussière et les saletés d’entrer

·Racle le film d’huile pour le réintroduire dans le système lorsque la tige se rétracte

·Protège les joints principaux et prolonge leur durée de vie

·Fabriqué généralement en polyuréthane à haute résistance à l’usure

·Souvent utilisé également comme joint à graisse sur les axes de liaison

3. Joints d’étanchéité de tige

· Empêcher la fuite d’huile hors du système

· Doivent fonctionner efficacement aussi bien à basse qu’à haute pression

· Doivent présenter une excellente résistance à l’extrusion et à l’usure

· Doivent réintégrer le film d’huile dans le système

· Supportent généralement des pressions allant jusqu’à 31,5 MPa

4. Joints amortisseurs

· Supportent les chocs soudains de haute pression

· Protègent le joint d’étanchéité de tige contre les pics de pression

· Peuvent libérer la pression piégée entre les joints, ce qui prolonge la durée de vie du joint d’étanchéité de tige et permet une plus grande tolérance de jeu sans risque d’extrusion. Très résistants à l’usure.

5. Bagues de guidage (bandes d’usure)

· Empêchent les pièces métalliques à l’intérieur du cylindre de se toucher

· Maintiennent la tige de piston et le piston centrés

· Contribuent à prolonger la durée de vie des joints

6. Joints toriques

· Les plus courants pour les joints statiques (non mobiles)

· Assurent l’étanchéité par compression radiale ou axiale

· Fonctionnent dans les deux sens

· Peuvent être utilisés comme élément de transmission de force ou comme joint principal

· Étanchéité autonome : aucune pression ni vitesse supplémentaire n’est requise

La technologie d'étanchéité est au cœur de la fiabilité, de la longévité et de l'efficacité des systèmes hydrauliques. Du choix du matériau unique approprié à la conception d’un système complet composé de plusieurs pièces, chaque décision doit correspondre précisément aux pressions, températures et conditions de fonctionnement spécifiques.