Dans les bateaux de plaisance avec moteur in-bord et ligne d'axe, pour empêcher l'entrée d'eau à travers l'interstice entre l'arbre de l'hélice sortant et l'orifice dans la coque, sont employés normalement des presse-étoupe, comprenants une ou plusieurs badernes en forme d'anneau, d'amiante graphité, contenues dans un corps concentrique à l'axe, qui sont pressées contre l'arbre d'hélice qui tourne.
Pour réduire la surchauffe due au frottement de la baderne contre l'arbre d'hélice qui tourne, et permettre le refroidissement de celle-ci, il faut un certain passage d'eau entre ces deux éléments.
Cette eau qui pénètre à l'intérieur de la coque doit être évacuée.
Un autre problème du presse-étoupe se manifeste lorsqu'on a terminé la navigation: on est obligé de serrer très fortement la baderne, au but d'empêcher l'égouttement continu, qui - au cours d'arrêts prolongés - remplirait d'eau le bateau, avec les conséquences prévisibles.
Autre problème très important est l'absorption d'énergie, provoqué par le frottement de la baderne contre l'arbre d'hélice: les modelés plus grands disposent d'un système de refroidissement. Le frottement ainsi engendré constitue une action de freinage à l'axe, qui absorbe beaucoup de puissance motrice, avec la conséquence d'une consommation plus importante et d'une perte de vitesse. En autres termes il serait comme rouler en voiture avec le frein à main tiré.
En outre le frottement de la baderne sur l'arbre d'hélice, provoque une usure prématurée de l'axe, lequel après un certaine période doit être substitué.
Il ne faut pas oublier non plus le fait que le montage du presse-étoupe demande un alignement partait de l'arbre d'hélice, entre la chaise extérieure de support de l'hélice, le moteur et le presse-étoupe; donc cela comporte des hauts coûts de montage.
En plus, étant donné que le presse-étoupe est monté rigidement à la coque, il transmet toutes les vibrations de l'arbre d'hélice à la coque même.
Pour un bon fonctionnement il est indispensable l'alignement parfait des trois supports de l'axe d'hélice: l'accouplement du moteur, le presse-étoupe et la chaise d'hélice. Etant donné qu'il s'agit d'une structure qui n'est pas un monobloc rigide usiné au même temps dans une seule pièce, l'alignement parfait est presque impossible, donc l'axe de transmission ne fonctionne jamais dans la condition optimale, présenant donc une grande résistance à la rotation, due non seulement à l'action freinante de la baderne, mais due au forçage de la transmission, conséquente à l'impossibilité d'un alignement parfait.
Un autre dispositif d'étanchéité normalement utilisé dans certains bateaux, consiste dans un joint tournant constitué par un disque qui tourne avec l'arbre, poussé par un ressort contre un autre disque recouvert par un matériel antifriction (graphite, etc.) fixé à la coque.
Le problème plus important réside dans le fait que tous les types de joints tournants - avec des bagues fixées solidairement à l'axe comme par exemple celui décrit par GB-A-2 251 273 et ayant les caractéristiques selon le préambule de la revendication 1 - ne permettent pas aucun coulissement axial de l'arbre, donc en cas d'accident banal (et fréquent), comme l'enroulement d'un bout sur l'hélice qui tire l'arbre d'hélice fixé au moteur vers l'arrière, il peut arriver à casser un ou plusieurs supports de ce dernier déplaçant tout le moteur vers l'arrière. Cela provoque la rupture du joint tournant, avec la conséquente ouverture d'une importante voie d'eau et donc la possibilité de naufrage.
Autres problèmes que présente tel joint tournant, résident dans le fait que les pistes de frottement se dégradent - aussi par l'effet des cristaux de chlorure de sodium - provoquant des fuites d'eau vers l'intérieur de la coque, soit avec l'axe en rotation, que lorsqu'il est à l'arrêt.
Un problème commun à tous les presse-étoupe et joints tournants est le fait qu'aucun ne peut fonctionner sans eau (p.e. en cas de haute vitesse que forme la vide d'eau devant l'hélice, ou bien en cas d'obturation de la prise à mer, etc.), car ils s'abîment immédiatement.
Deuxième problème commun est le passage d'eau, plus ou moins important, selon le type: le presse-étoupe laisse passer clairement l'eau, le joint tournant est étanche seulement lorsqu'il est neuf, mais à la plus petite dégradation de la piste de frottement, il laisse passer l'eau soit avec l'axe en rotation qu'à l'arrêt.
Tous ces problèmes et des autres encore ont été résolus par la présente invention qu'on va décrire ci de suite avec l'aide des Figures suivantes:
La présente invention consiste dans un joint d'étanchéité, à deux étages, complètement étanche: il ne laisse passer aucune goutte d'eau, ni lorsque l'axe d'hélice tourne, ni lorsqu'il est à l'arrêt. Les deux étages, l'un après l'autre, constituent deux barrages infranchissables pour l'eau.
Il s'agit d'un étui cylindrique emboîté librement sur l'arbre d'hélice, qui ferme hermétiquement l'orifice de la coque au moyen d'un tronc de tube élastique à forme de soufflet fixé sur l'extérieur de l'étui même et l'orifice de la coque: tandis qu'à l'intérieur, en correspondance de l'axe, de front, il présente une chambre d'arrêt annulaire remplie de matériel de scellage constitué par graisse visqueuse insoluble qui empêche le passage d'eau à travers l'interstice axe-douille, sans provoquer frottements ou consommations mécaniques. Le deuxième étage est constitué par la chambre à huile, qui renferme le coussinet en bronze.
La Fig. .1 est une coupe longitudinale, dans laquelle il est schématisé un bateau normal, avec un arbre de transmission 2, qui traverse la coque 1 à travers l'orifice 3 entouré par le tronc de tube 4 solidaire à la coque.
Le coussinet en bronze 11 (contenu dans l'etui cylindrique 9) est emboîté librement sur l'axe d'hélice 2, en lui permettant soit de tourner librement, que de coulisser en forme axiale, sans offrir des résistances dues à défauts d'alignements qui forcent et augmentent la fiction.
Il est très connu le fait que les transmissions réalisées parmi des coussinets en bronze sont très difficiles à réaliser, car nécessitent de surfaces d'appui parfaitement alignées, usinées avec extrême soin, parce que des défauts d'alignement même très petits déterminent des résistances à la rotation remarquables. Pour cette raison, dans des transmissions qui ne sont pas réalisées sur des structures particulièrement rigides et parfaitement usinées, il n'est pas possible l'emploi des coussinets en bronze, mais on utilise normalement des roulements auto-orientables.
Dans le cas de cette invention pour pouvoir utiliser aisément le coussinet en bronze, on a résolu le problème avec le coussinet auto-aligné sur le même axe, avec une juste tolérance - ni trop large, ni trop étroite - sans aucune fixation rigide, qui rendrait très difficile la rotation comme dans les cas qu'on vient d'expliquer. Donc le coussinet en bronze de la présente invention laisse tourner librement l'arbre sur lequel il est monté, sans provoquer aucune résistance, soit au mouvement radial, qu'axiale, grâce aussi au système de lubrification forcée qu'on va exposer de suite.
Sur le coussinet en bronze 11 est monté à pression parmi des bagues élastiques O ring 10 et 14, l'étui cylindrique 9. Sur celui ci est fixée une extrémité d'un tronc de tube élastique à forme de soufflet élastique 5; tandis que l'autre extrémité est fixée sur le tronc de tube 4 qui entoure l'orifice 3 de la coque (à travers duquel sort l'arbre de l'hélice) Donc l'eau qui pénètre à travers l'orifice sur la coque, est contenue par le tronc de tube élastique à forme de soufflet, par l'arbre, et par la chambre annulaire d'arrêt 16 de l'étui cylindrique 9, pleine de matériel de scellage constitué par graisse visqueuse insoluble.
L'étui cylindrique 9 est concentrique à l'arbre et présente dans la partie frontale un orifice avec un diamètre tout juste supérieur à celui de l'arbre: ce qu'il suffit pour ne pas frotter sur l'arbre. Après l'orifice initial, le diamètre intérieur de l'étui s'agrandit, formant ainsi la chambre annulaire de blocage 16, délimitée au fond par la bague de retenue 18.
La chambre annulaire de blocage 16 est remplie par l'élément de scellage visqueux constitué préférablement par graisse insoluble qui, possèdent un poids spécifique inférieur à l'eau, elle est constamment maintenue en pression par la poussée hydrostatique, restant ainsi constipé contre les parois de la chambre annulaire de blocage 16, contre la bague de retenue 18, et contre l'arbre 2; empêchant ainsi tout passage d'eau à intérieur de la chambre annulaire de blocage.
L'élément de scellage visqueux est introduit au début dans la chambre de blocage, parmi le graisseur Stauffer 8 qui remplit de graisse toute la chambre 16, en éliminant l'air parmi la vanne de purge 17.
L'étui cylindrique 9 est constitué préférablement de métal conducteur thermique, résistent à la corrosion (p.e. bronze ou acier inoxydable). Le dit étui est soutenu à son intérieur par le coussinet en bronze 11 en matériel antifriction, contenu forcement concentrique sur deux bagues élastiques de caoutchouc (O ring) 10 et 14.
Le coussinet en bronze Il - lubrifié par circulation forcée d'huile sur l'arbre - soutient et guide l'étui cylindrique 9, en le maintenant toujours concentrique et parallèle à l'axe sur lequel il est monté, axe qui peut tourner librement, grâce à la lubrification apportée par l'huile 23 contenu dans le réservoir 24, parmi les tubes d'alimentation 31b fixés sur les embouts cannelés 13b vissés sur l'étui cylindrique 9.
Entre le coussinet en bronze 11 et l'étui cylindrique 9, il y a la chambre annulaire (déterminée par la différence des diamètres respectifs) contenue par les bagues en caoutchouc (O ring) 10 et 14, laquelle se remplie d'huile, qui passe parmi le trou 12 du coussinet en bronze 11, en remplissant le canal annulaire 30, en lubrifiant donc constamment l'arbre 2, le coussinet en bronze 11 et les lèvres élastiques des bagues de retenue à lèvres asymétriques pour arbres tournants 18 et 33, qui contiennent l'huile entre la portion d'arbre et le manchon cylindrique, empêchant la fuite d'huile et se lubrifiant au même temps. Donc l'huile passe à travers l'embout cannelé 13 dans le tube de retour 31 pour faire retourne dans le réservoir 24.
La circulation forcée continue de l'huile, avec le conséquent rechange indispensable pour la lubrification optimale dans la zone d'appui et de glissement radial et axial du coussinet en bronze 11, est obtenue parmi d'une pompe à huile incorporée.
La continuité de lubrification est très importante et ne doit jamais manquer soit au coussinet en bronze sur l'axe, soit et surtout aux bagues de retenue à lèvres asymétriques élastiques pour arbres tournants.
Le réservoir d'huile 24 est placé à une hauteur supérieure au niveau de l'eau, de façon à exercer une pression plus élevée à l'huile contenue dans la chambre du coussinet en bronze 11, pour contraster et bloquer la tendance à la perméabilité de la graisse scellante à travers la bague de retenue unidirectionnelle 18.
Donc la bague de retenue unidirectionnelle 18 à son intérieur est lubrifiér par l'huile contenue par elle même, tandis qu'à l'extérieur elle est lubrifiée par la graisse de scellage. Dans cette manière la durée de vie de la lèvre de serrage est extrêmement longue.
Les bagues de retenue à lèvres asymétriques pour arbres tournants avec lèvre élastique en élastomère, sont unidirectionnelles. Donc elles bloquent toute sortie de l'huile dans un sens, tandis que dans l'autre sens elles permettent le passage.
Il faut remarquer que pour un bon fonctionnement des bagues de retenue à lèvres asymétriques avec une longue durée dans le temps, une lubrification continue de la lèvre élastique de serrage est indispensable. Si la lubrification de l'huile vient à manquer même pour très peu de temps, la lèvre, à contacte avec l'eau (ou encore pire à sec), se détériore rapidement et n'assure plus l'étanchéité. Donc il est indispensable une efficace et constante lubrification forcée d'huile non seulement pour le coussinet en bronze 11, mais surtout pour les bagues de retenue à lèvres asymétriques unidirectionnelles.
Le réservoir d'huile 24 est place à une hauteur supérieure au niveau de l'eau extérieure, vu de la différence de pois spécifique entre l'huile et l'eau. Dans cette manière la poussée de l'eau extérieure sur l'élément de scellage est inférieure à la contre-pression de l'huile, de façon à éviter la perméabilité de l'élément de scellage dans l'huile à travers la bague de retenue unidirectionnelle 18, parce que cela pourrait altérer les qualités lubrifiantes de l'huile.
Il n'y a donc aucune consommation d'huile, ni de graisse vers l'extérieur, conformément à toute exigence écologique.
Le tronc de tube élastique à forme de soufflet tubulaire 5 est constitué par un caoutchouc très mince ou par autre élastomère résistant aux huiles et à l'eau de mer.
Il est important que tel tronc de tube élastique à forme de soufflet soit très élastique de façon à permettre la flottabilité maximale. Grâce à celle ci, le présent joint d'étanchéité peut être monté sans aucun alignement entre la ligne d'axe et le manchon qui traverse la coque. La grande élasticité permet un bon fonctionnement même sur un axe tordu - qui tourne excentrique - car l'élasticité du tronc de tube élastique à forme de soufflet 5 absorbe toute imperfection, soit d'alignement, soit d'excentricité de l'arbre d'hélice.
Pour obtenir une aussi grande élasticité il faut que le tronc de tube élastique à forme de soufflet tubulaire 5 soit de parois très minces. Mais dans ce cas le tronc de tube élastique à forme de soufflet n'offre donc aucune garantie de résistance à la torsion, par conséquent n'importe quelle augmentation improvise de frottement du coussinet de bronze sur l'axe (par exemple: due à un accident extérieur qui arriverait à provoquer la perte de l'huile et le blocage du coussinet en bronze 11) pourrait provoquer la déchirure du mince caoutchouc du tronc de tube élastique à forme de soufflet, causant ainsi une très importante et très dangereuse entrée d'eau.
Pour éliminer une telle - même si peu probable - éventualité, la Fig. 2 illustre une vue en coupe transversale du dispositif anti-rotation, constitué - à titre d'exemple - par une plaquette 39 emboîtée lâche sur l'embout cannelé 20. A la plaquette 39 sont fixés deux câbles 36 dont les extrémités sont fixées à deux tendeurs à fil fixés à la coque. L'agrandissement de la Fig. 2, entouré dans un cercle, montre la plaquette vue en plante, avec un trou central d'un diamètre légèrement supérieur à celui de l'embout cannelé 20; et les trous aux extrémités d'un diamétre equivalent à celui des câbles 36.
En tendant modérément les deux câbles, l'embout cannelé 20 fait butée contre la plaquette 39, donc on empêche la rotation de l'ensemble, donc on élimine tout effort de torsion au tronc de tube élastique à forme de soufflet. Ce dernier - n'étant obligé à faire aucun effort, mais ayant seulement la fonction de contenir l'eau - peut être construit avec un matériel d'épaisseur très exigu, garantissant ainsi l'élasticité et flottabilité maximale du système.
Une autre possibilité de dispositif anti-rotation - non limitative - est constituée par le profilé 38 fixé à la coque, et avec un trou calé autour de l'embout cannelé 13 qui fait de bouté.
Ultérieur dispositif de sécurité contre un éventuel, même si peu probable, grippage, est constitué par le fait que le coussinet de bronze 11 est fixé simplement à pression sur l'étui 9, parmi les bagues "O ring" 10 et 14. Donc si par un fortuit accident le coussinet de bronze arriverait à gripper et tendrait à tourner solidairement à l'arbre, il tournerait sur les bagues "O ring" 10 et 14. Dans cette manière l'étui 9 ne tournerait pas, parce qu'il serait bloqué par le système anti-rotation, préservant ainsi l'intégrité du tronc de tube élastique à forme de soufflet 5 qui ne se déchirerait, donc éliminant toute possibilité de naufrage du bateau.
Etant donné que dans la mer toute précaution n'est jamais excessive, pour élimimer toute probabilité d'accident on peut introduire dans le réservoir d'huile 24 un senseur de niveau 21 (Fig. 1) qui, en cas de baisse du niveau d'huile, intervient d'abord avec une sonnerie, et après arrête le moteur.
Sur des bateaux très puissants, avec des grands arbres qui tournent à des vitesses très élevées, on a constaté qu'il est indispensable une circulation forcée de l'huile, car sans cette dernière, en proximité des lèvres en élastomère des bagues de retenue à lèvres asymétriques, l'huile se dégrade assez rapidement à cause de la température très élevée, donc l'huile perd son pouvoir lubrifiant, ce qui provoque un vieillissement précoce de l'élastomère, et la conséquente fuite d'huile, autre qu'à une consommation rapide de l'arbre, où se forment des sillons très profonds en correspondance des lèvres des bagues de retenue.
Donc on a constaté qu'il est absolument indispensable une circulation forcée de l'huile très efficace.
A ce but on a réalisé une pompe à huile incorporée dans le même coussinet en bronze 11, et que non seulement utilise le mouvement rotatoire de l'axe sur lequel il est monté, mais elle utilise l'axe même, comme organe de base de cette pompe très originale.
Dans cette manière - sans des pompes à huile séparées, plus coûteuses et complexes - on obtient la circulation forcée nécessaire, toujours proportionnelle aux différentes vitesses de rotation de l'arbre, donc toujours proportionnelle aux différentes exigences de lubrification et refroidissement qui augmentent, en fonction de la vitesse de rotation.
La Fig. 3 montre le réservoir à huile 24, duquel départent les deux tuyaux d'alimentation 31b, fixés sur les embouts cannelés 13b. Ces embouts cannelés sont vissés sur l'étui 9, et laissent entrer l'huile qui dans son passage lubrifie les lèvres des bagues de retenue à lèvres asymétriques unidirectionnelles en élastomère 18 et 33. L'huile continue son chemin et passe par les tunnels 32 (voir aussi Fig. 5) du coussinet en bronze 11, où il lubrifie constamment l'axe qui tourne dans le coussinet en bronze (voir aussi Fig. 4 et 5) en s'introduisant dans l'espace existant entre l'axe et le coussinet en bronze, en formant ainsi une mince couche d'huile intermédiaire qui sépare les deux métaux. Donc cette couche intermédiaire empêche le frottement des métaux en les préservant de l'usure.
Au centre du coussinet en bronze 11, il y a une chambre cylindrique 34, excentrique par rapport à l'axe 2 (voir Fig. 6).
L'huile est traînée par l'axe dans sa rotation, par les phénomènes de "tension superficielle" et de "collage d'un liquide visqueux a un solide (l'axe)", et il est comprimé vers l'étranglement de la chambre excentrique. Une petite partie d'huile s'enfile entre l'axe et la portion avec le diamètre presque adhérente au même, en formant la couche intermédiaire qui garantit la lubrification et empêche le contact direct entre les deux métaux, en les préservant de l'usure. Par contre, l'excès d'huile qui n'arrive pas à s'introduire entre l'axe et le bronze, s'accumule en proximité de l'étranglement ce qui provoque une augmentation de pression. Dans cet endroit il y a la fente - préférablement tangentielle - (ou un orifice de sortie) 29 qui permet la sortie de l'huile à pression qui pénètre dans la chambre à forme de couronne cylindrique 35 (formée par la différence du diamètre extérieur du coussinet en bronze 11 et le diamètre intérieur de l'étui cylindrique 9; qui est fermée latéralement par les deux bagues élastiques O-ring 10 et 14). L'huile poussée dans la chambre 35 tourne jusqu'à sortir par l'embout cannelé 13 raccordé au tube 31. L'huile poussée par la pression, passe à travers un éventuel filtre à huile 36 (Fig. 3) qui le maintient toujours propre et sans grumes. Successivement l'huile passe à travers l'échangeur de chaleur 37 - constitué par un serpentin de métal conducteur thermique - qui le refroidit en écoulant les calories dans l'air ambiant. Finalement l'huile filtrée et refroidie, rentre dans le réservoir 24. L'échangeur de chaleur huile-air est employé dans les cas de régimes de vitesse assez élevés, étant insuffisant la chaleur écoulée par le seul étui 9 conducteur thermique-.
Ce système de pompage de l'huile est très efficace, car on peut constater que le pompage a lieu aussi à des vitesses extrêmement lentes: même en faisant tourner l'axe à la main on arrive à apprécier la circulation. Naturellement plus l'axe tourne vite, plus la quantité de l'huile pompée augmente. Si on désire obtenir un débit plus important, il suffit proportionner la pompe, en augmentant la largeur de la même dans le coussinet en bronze où elle est incorporée.
Ce système de pompage présente plusieurs avantages:
Economique: une petite élaboration en plus dans la phase de construction du coussinet en bronze suffit pour réaliser la pompe, sans devoir recourir à des pompes séparées, avec des motorisations aussi séparées.
Débit et pression toujours proportionnés en fonction de la vitesse de rotation de l'axe, qui augmente ou diminue les nécessités de lubrification, refroidissement et filtrage par rapport au régime de rotation de l'axe.
Absence de transmissions ou autres moteurs séparés pour actionner la pompe de lubrification, car on utilise le même axe d'hélice sur lequel elle est montée.
La lubrification parfaite assure le bon fonctionnement continue de la pompe et de tout l'ensemble du joint d'étanchéité, en garantissant une durée de vie presque indéfinie, car la présence constante de la couche d'huile entre l'axe et le coussinet en bronze, ne permet l'usure des deux:, donc duré de vie extrêmement longue. Même chose on peut dire des bagues de retenue à lèvres asymétriques unidirectionnelles élastiques en élastomère.
L'huile ne s'altère pas et conserve toujours son pouvoir lubrifiant car elle est filtrée continuellement et jamais surchauffée. Par conséquent le joint d'étanchéité travaille toujours dans sa forme optimale, donc: absence absolue de passage d'eau dans le bateau parmi le joint d'étanchéité. Il faut remarquer que lorsque les bateaux naviguent à vitesses très élevées, on forme le vide d'eau en correspondance à la sortie de la coque de l'axe d'hélice, ce qui représente un gros problème pour les presse-étoupe traditionnels, où il vient à manquer la lubrification et le refroidissement apportés par l'eau. Par contre dans la présente invention, avec ce système de circulation forcée et de refroidissement de l'huile, on a constaté que ce problème ne subsiste: le joint étanche peut fonctionner parfaitement même en absence absolue d'eau et à vitesses très élevées et pendant milliers d'heures sans interruption.
La Fig. 7 montre l'exemple d'application du joint d'étanchéité sur un arbre usé d'un bateau ancien. L'arbre présente l'usure 50 provoquée par le frottement de la bademe d'un presse-étoupe traditionnel. En correspondance on monte un tronc de tube rigide 51 avec un diamètre intérieur légèrement supérieur à celui de l'arbre. A l'extrémité vers l'extérieur, le tronc de tube est soutenu concentrique à l'axe par la douille 52. A l'extrémité vers l'intérieur, le tronc de tube est calé concentrique à l'axe, par la douille 53, bloqué par la vis 55. La douille est bloquée à l'arbre par la vis 58, donc le tronc de tube tourne solidaire avec l'axe. Les O-Rings 54 et 57 empêchent le passage de l'eau qui pourrait s'infiltrer par la douille 52 entre l'arbre et l'intérieur du tronc de tube 51. Sur le dito tronc de tube fixé concentrique à l'axe d'hélice, on peut donc installer normalement le JOINT D'ETANCHEITE, ainsi comme décrit.
Dans cette manière on peut récupérer les arbres anciens usés, sans être obligés à les substituer.
Brièvement, les résultats atteints par cette invention sont: