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Joints toriques : principes de base et applications avancées

Les joints toriques sont particulièrement polyvalents et largement utilisés comme solution d'étanchéité en raison de leur efficacité, de leur prix abordable et de leur facilité d'utilisation, aussi bien dans les applications statiques que dynamiques. Ils sont fabriqués à partir d'une large gamme de matériaux élastomères et permettent d'étancher pratiquement n'importe quel liquide ou gaz.

Lors de la conception et de la production de joints toriques, il faut bien prendre en compte plusieurs facteurs, notamment la qualité, la quantité, l'environnement de l'application, la rentabilité, la compatibilité chimique ainsi que la tenue à la pression, la durée de vie et les exigences en matière de lubrification.

La polyvalence des joints toriques

Les joints toriques sont des joints polyvalents. Ils sont généralement en élastomère, mais également disponibles dans des matériaux tels que le PTFE ou le métal, et présentent une conception circulaire bidirectionnelle. Ils fonctionnent en déformant leur matériau au moment de leur mise en place et sous l'effet de la pression du support, afin d'étancher efficacement les espaces entre les composants assemblés.

Cependant, ces joints ne sont pas à l'abri de problèmes. Les pressions élevées provoquées par le système peuvent entraîner un phénomène connu sous le nom d'extrusion, où le matériau du joint se déforme et s'extrude dans le jeu fonctionnel du système, entraînant un dysfonctionnement de l'étanchéité. Ce problème peut être atténué en utilisant des matériaux d'étanchéité plus durs ou en utilisant des bagues anti-extrusion.

La force d'un joint torique réside dans sa capacité à se comporter comme un fluide hautement visqueux sous pression, créant une barrière contre la substance qu'il est censé étancher. Cette propriété unique, associée à sa capacité à reprendre sa forme initiale après déformation, rend un joint torique particulièrement utile dans les applications d'étanchéité.

En outre, la nature élastique du joint torique lui permet de s'adapter aux variations de tolérance de son environnement et de maintenir l'étanchéité. L'écrasement, ou degré de compression, est un facteur crucial dans la conception des joints toriques. Pour les joints toriques ayant un petit tore, un degré de compression plus élevé est nécessaire pour compenser les tolérances dimensionnelles des gorges.

Applications ayant un impact sur le joint torique

Les joints toriques conviennent aussi bien pour des applications statiques que dynamiques. Un joint qui ne bouge pas, à l'exception des pulsations causées par la pression du cycle, est appelé joint statique.

Applications statiques

   

Axiale

Le diamètre du joint torique est comprimé dans la gorge de manière axiale, comme dans le cas d'un joint plat.

Radiale

Le diamètre du joint torique est comprimé dans la gorge de manière radiale entre le diamètre intérieur (ID) et le diamètre extérieur (OD).

 

Axiale, gorge en queue d'aronde

Le joint torique est également comprimé de manière axiale mais dans une gorge trapézoïdale.

La conception de la gorge permet au joint torique de rester en place.

Ceci est utile pour les applications spéciales, par exemple dans le cas d'un couvercle qui s'ouvre régulièrement.

Application joint de bouchon : Le joint torique est utilisé pour assurer l'étanchéité des raccords de tubes à filetage droit dans un bossage.

Un bossage est une saillie cylindrique sur une pièce moulée ou forgée. L'extrémité de cette saillie est usinée pour fournir une surface plane et lisse pour l'étanchéité.

Les filetages droits utilisés avec un joint torique assurent une meilleure étanchéité que les filetages coniques utilisés seuls.

Applications dynamiques

Les joints soumis à des mouvements sont des joints dynamiques. Ils sont définis comme étant en translation (joints exposés à un mouvement linéaire), en rotation (joints stationnaires exposés à un arbre en rotation) ou en oscillation (joints exposés à un mouvement hélicoïdal).

En translation

Les joints sont utilisés dans des applications avec un mouvement de va-et-vient.

Ce mouvement crée une friction, nécessitant une conception différente de celle des joints statiques.

Le joint torique peut être installé dans une gorge, soit dans le piston (joint de piston - figure du haut), soit dans le cylindre (joint de tige - figure du bas) sans aucune modification des limites de conception ou des performances du joint.

Avec un mouvement hélicoïdal (oscillation)

Les applications hélicoïdales impliquent à la fois des mouvements en rotation et des mouvements en translation.

Une tige de vanne est un exemple d'application hélicoïdale.

En rotation

Les joints sont utilisés dans des applications qui tournent. La rotation correspond à un mouvement circulaire entre le joint torique et la surface de contact (l'arbre). Un joint torique accepte uniquement des rotations très lentes.

Sélection des joints toriques

Dimensions de la gorge et du joint torique

Calculer les dimensions de la gorge et du joint torique

Il est important de connaître la profondeur et la largeur de la gorge dans laquelle le joint torique doit être inséré. Sans cela, la taille du joint torique ne peut être déterminée correctement. En général, vous avez déjà calculé la gorge pour le joint torique avant de choisir un joint.

Points importants à prendre en compte lors du calcul de la taille du joint torique et de la gorge :

  • Veillez à ce que la largeur de la gorge soit supérieure à sa profondeur, afin que la gorge soit rectangulaire et non carrée. N'étant pas compressible mais déformable, le joint torique doit pouvoir fluer. L'espace libre dans la gorge est donc essentiel. Si la gorge n'est pas suffisamment large, le joint torique ne pourra pas jouer son rôle d'étanchéité.
  • Le volume de la gorge doit être au minimum 15% supérieur à celui du joint torique. Si cette marge est inférieure, le risque d'endommager le joint torique augmente.

Lisez comment déterminer les bonnes dimensions de joints toriques pour votre application.
 

Le calculateur de joints toriques

Vous devez calculer la profondeur de la gorge pour le joint torique ? La profondeur de la gorge détermine la compression de votre joint torique. Vous devez toujours tenir compte de l'espace libre (jeu) dans vos calculs. 

Vous souhaitez calculer vous-même la taille du joint torique et de la gorge ? Le calculateur de joints toriques vous aide à calculer les dimensions idéales.

Compression

Le taux de compression est un élément important à prendre en compte lors du choix du bon joint torique. Un taux de compression trop élevé peut entraîner une détérioration du joint, tandis qu'un taux de compression trop faible entraînera une mauvaise étanchéité.

Par ailleurs, il faut veiller à ne pas confondre le taux de compression avec la notion de DRC ou "déformation rémanente à la compression". Le taux de compression indique la déformation du joint torique, tandis que la déformation rémanente à la compression correspond à la mémoire élastique du matériau.

Compression recommandée

Une compression de 15 à 25 % est généralement suffisante pour les applications statiques. La compression peut être augmentée dans le cas des applications sous vide. Une compression de plus de 30 % peut créer des tensions internes trop importantes dans le joint torique, et entraîner des dommages prématurés.

Une compression de 8 à 16 % est généralement suffisante pour les applications dynamiques. On peut aller jusqu'à 20 % pour les petits diamètres de tore.

Choisir le matériau du joint torique

Sélection des matériaux

Les matériaux élastomères utilisés dans les applications d'étanchéité sont souvent appelés "mélanges" : il s'agit d'un mélange d'ingrédients fabriqués dans des conditions spécifiques. Un mélange comprend généralement un polymère, un agent de vulcanisation (réticulation), des charges et d'autres ingrédients utilisés pour répondre à des exigences spécifiques en matière de fabrication, d'application ou de coût.

La sélection du type de polymère est à la base de la conception du mélange. Le formulateur peut ajouter des agents de renforcement à ce polymère, par exemple du noir de carbone, des pigments colorés, des agents de vulcanisation, des activateurs, des plastifiants, des accélérateurs, des antioxydants ou des additifs antiradiations. Il peut y avoir des centaines de combinaisons de ce type.

Des circonstances différentes exigent des propriétés différentes pour les mélanges. C'est pourquoi de si nombreux mélanges ont déjà été développés. Nous avons classé nos propres mélanges en trois catégories : standard (usage général), spécialisé (spécifique à une industrie ou à une application) et haute performance.

Dureté de l'élastomère

La dureté est l'une des propriétés les plus fréquemment citées pour les matériaux polymères. La dureté est la résistance d'un corps à la pénétration d'un corps encore plus dur, de forme standard et à une pression définie.

Il existe deux procédures pour les tests de dureté concernant les échantillons et/ou les pièces finies fabriquées en matériaux élastomères :

  • Dureté Shore A à D, conformément aux normes ISO 868, ISO 7619-1, ASTM D 2240 : la plupart des élastomères sont mesurés sur l'échelle de dureté Shore A. Une dureté Shore A de 35 est faible, une dureté de 90 est élevée. Passer à l'échelle de dureté Shore D est recommandée lorsque l'indice Shore A est supérieur à 90.
  • Duromètre DIDC (Degré international de dureté des caoutchoucs) conformément aux normes ISO 48, ASTM 1414 et 1415.

Plus l'élastomère est souple, mieux le matériau d'étanchéité se conforme aux surfaces à étancher et moins il faut de pression pour créer une étanchéité. Cela est particulièrement important pour les joints à faible pression qui ne sont pas activés par la pression d'un fluide. Plus l'élastomère est souple, plus le coefficient de frottement est élevé.

Toutefois, dans les applications dynamiques, les valeurs réelles de frottement et de fonctionnement d'un mélange plus dur (donc avec des coefficients de frottement plus faibles) seront plus élevées, car la charge nécessaire pour comprimer le matériau plus dur dans la gorge du joint torique sera beaucoup plus importante.

Plus l'élastomère est souple, plus il y a un risque important qu'à haute pression de fonctionnement, le joint torique s'extrude dans l'espace libre entre les surfaces assemblées (jeu).

Les matériaux plus durs offrent une plus grande résistance à l'extrusion. Quand la température augmente, les élastomères deviennent d'abord plus souples, puis finalement plus durs, car le processus de vulcanisation du caoutchouc se poursuit sous l'effet de la chaleur.

Résistance chimique des élastomères

Ces informations sont données à titre indicatif. Il convient de consulter les listes de compatibilité chimique, telles que le Guide de résistance chimique des élastomères d'ERIKS.

Dans la mesure du possible, la compatibilité entre les fluides et le matériau du joint torique doit être classée « A ». Pour une application d'étanchéité statique, un indice « B » est généralement acceptable, mais cela doit être testé. Lorsqu'un mélange de classe « B » doit être utilisé, il ne faut pas s'attendre à ce qu'il puisse être réutilisé après démontage. Il peut en effet s'être tellement dilaté qu'il ne pourra pas être remis en place. Si vous essayez un mélange classé « C », veillez à le tester au préalable en tenant bien compte de toutes les conditions d'utilisation.

Il est aussi particulièrement important de tester les mélanges dans les conditions de service lorsque l'étanchéité doit être réalisée au contact d'un acide fort à des températures élevées, car la vitesse de dégradation des élastomères à des températures élevées est bien supérieure à la vitesse de dégradation à température ambiante.

Types d'élastomères

  • NBR - Copolymère butadiène-acrylonitrile, caoutchouc nitrile ou Buna-N
  • HNBR - Nitrile hydrogéné, ou nitrile hautement saturé
  • XNBR - Nitrile carboxylé
  • NBR/PVC - Mélanges de résines nitrile/PVC
  • EPM, EPDM - Caoutchouc d'éthylène-propylène et d'éthylène-propylène-diène
  • CR - Caoutchouc néoprène, polychloroprène
  • VMQ - Caoutchouc de silicone
  • FVMQ - Fluorosilicone
  • AU, EU - Caoutchouc polyuréthane
  • FKM - Caoutchouc fluorocarboné
  • FFKM - Perfluorocarbonées
  • Téflon®-FEP/PFA
  • TFE/P (Aflas®) (FEPM)

Choisir le bon matériau d'étanchéité

Points importants à prendre en compte lors du choix du matériau :

  • Principaux fluides pour lesquels le joint torique ou le joint quadrilobe peut être utilisé.
  • Autres fluides auxquels le joint sera exposé, tels que fluides de nettoyage ou lubrifiants.
  • Adéquation du matériau aux températures extrêmes de l'application - chaudes et froides.
  • Présence de contaminants externes abrasifs.
  • Lubrification du joint et des pièces en contact avec le joint avec un lubrifiant approprié avant d'assembler l'unité.

Choisir le bon type de matériau élastomère

Les élastomères sont couramment utilisés pour les joints toriques. La flexibilité d'un élastomère lui permet de prendre de nombreuses formes différentes. Et ses diverses propriétés lui permettent d'être utilisé dans toutes sortes d'applications. Il est essentiel de bien choisir le matériau élastomère afin d'éviter les fuites ou d'autres dommages éventuels. Quatre facteurs sont très importants dans ce cadre : les produits en contact, la pression, la température et la durée.

  • Les produits en contact : Chaque matériau élastomère réagit différemment aux fluides avec lesquels il entre en contact. Par conséquent, pour choisir l'élastomère approprié, vous devez tenir compte de toutes les substances avec lesquelles le matériau entre en contact, y compris, par exemple, les produits de nettoyage.
  • La température : Certains environnements de production impliquent des températures (extrêmement) basses ou élevées. Le matériau élastomère du joint torique peut-il y résister ?
  • La pression : Il est important de savoir exactement comment la pression s'accumule dans l'application pour laquelle le joint torique sera utilisé. En effet, tous les matériaux élastomères ne peuvent pas résister à une pression élevée (prolongée). La dureté du matériau choisi joue un rôle important à cet égard.
  • La durée : La durée d'étanchéité du joint torique est également importante. Le choix du bon matériau élastomère sera très différent selon que le joint ne doit fonctionner qu'une demi-heure par jour ou s'il doit fonctionner en continu.

Montage/installation du joint torique

Un montage correct permet d'éviter d'endommager les joints toriques. C'est pourquoi il faut toujours prêter attention aux éléments suivants lors de l'assemblage :

  • Lubrification (huile ou graisse)
  • Étirement et compression
  • Un bon kit de montage

L'utilisation de graisse (de montage) facilite généralement la mise en place d'un joint torique. Elle réduit la friction entre le joint torique et les pièces entre lesquelles il est placé. Il est ainsi plus facile d'insérer le joint torique dans la gorge.

La lubrification prolonge également la durée de vie du joint torique en formant une couche protectrice. Il suffit généralement d'une fine couche d'huile minérale, de graisse, d'huile de silicone ou d'un liquide spécial pour l'application. Assurez-vous que le type d'élastomère utilisé résiste au lubrifiant utilisé. Par exemple, un élastomère VMQ (silicone) n'est pas compatible avec de l'huile de silicone. L'élastomère et la graisse ayant la même structure, l'huile peut être absorbée par le joint torique et provoquer un gonflement et une détérioration.

Il ne faut jamais coller un joint torique dans la gorge. Un joint torique doit pouvoir bouger et se dilater librement.

Étirement et compression

Un joint torique (ID) peut être parfois plus petit ou plus grand que la gorge dans laquelle il est placé. Le caoutchouc étant un matériau élastique, ce n'est pas nécessairement un problème. Il peut même s'agir d'un choix délibéré en raison de la gorge ou de la taille de joint torique disponible. Un léger étirement ou une légère compression du diamètre intérieur (ID) peut résoudre ce problème et est également autorisé. Toutefois, l'étirement du diamètre intérieur ne doit jamais dépasser 5 %. La compression ne doit pas dépasser 3 %. Les deux marges font référence à la position du joint en place.

Un joint torique peut être étiré lors de sa mise en place. Il est recommandé d'étirer le joint torique en douceur jusqu'à un maximum de 50 %. Laissez ensuite au joint torique le temps de reprendre sa forme initiale avant de mettre l'application en marche. Il faut ici tenir compte de plusieurs facteurs, notamment du matériau, de l'application et des influences environnementales (telles que la température). En outre, certains matériaux sont plus élastiques que d'autres, comme le VMQ par exemple.

Un bon kit de montage

L'utilisation d'outils inappropriés engendre des dommages lors du montage. Évitez les éléments pointus ou tranchants susceptibles d'endommager le joint torique. Utilisez un kit de montage de joints toriques pour monter ou démonter des joints toriques. Celui-ci facilite l'installation et le retrait des joints toriques sans les endommager. Veillez également à ne pas vriller le joint torique pendant l'installation.

Stockage, durée de conservation et dégradation

Durée de stockage des joints toriques

La durée de stockage est la période maximale, à compter de la date de fabrication, pendant laquelle un joint torique en élastomère convenablement emballé peut être stocké dans des conditions spécifiques. Après cette période, le joint torique est considéré comme inutilisable pour l'usage auquel il était destiné à l'origine. La date de fabrication est la date de vulcanisation pour les élastomères thermodurcissables ou la date de transformation en produit fini pour les élastomères thermoplastiques. La durée de conservation des élastomères, lorsqu'ils sont stockés correctement, est déterminée par son polymère de base.

  • Les élastomères NBR, le SBR ou le BR, par exemple, ont une durée de stockage allant jusqu'à 5 ans.
  • Les élastomères NBR, HNBR, NBR/PVC, CR ou IIR peuvent être stockés jusqu'à 7 ans.
  • Les élastomères FKM, EPDM, CSM ou VMQ par exemple ont une durée de conservation allant jusqu'à 10 ans.

La durée de stockage des différents élastomères diffère selon la norme ISO 2230, qui indique une période de stockage initiale et une période de stockage prolongée pour les composants non assemblés.

Facteurs pouvant influencer la durée de stockage des joints toriques

  • Température : La température de stockage doit être inférieure à 25°C (sauf en cas de températures plus élevées dues à des changements climatiques temporaires). Le joint torique doit être stocké à l'écart des sources de chaleur directe (telles que les chaudières, les radiateurs et la lumière directe du soleil).
  • Humidité : Si les élastomères ne sont pas stockés dans des sacs étanches à l'humidité, l'humidité relative doit être inférieure à 70 % (65 % pour les polyuréthanes).
  • Lumière : Il convient d'éviter en particulier la lumière directe du soleil ou la lumière artificielle contenant des ultraviolets ; il est conseillé de recouvrir les fenêtres du local de stockage d'un revêtement rouge ou orange en cas de présence d'élastomères.
  • Radiation : Protection contre toutes les sources de rayonnements ionisants susceptibles de causer des dommages.
  • L'ozone : L'ozone endommage certains joints élastomères. Des équipements tels que lampes à vapeur de mercure, équipements électriques à haute tension, décharges électriques silencieuses, gaz de combustion ou vapeurs organiques doivent être évités.
  • Déformation : Les joints doivent être stockés à l'abri des contraintes de traction et de compression superposées ou d'autres causes de déformation. Les joints toriques ayant un important diamètre intérieur doivent être utilisés en formant au moins trois boucles superposées de manière à éviter toute pliure ou torsion. Remarque : il n'est pas possible de remplir cette condition en formant seulement deux boucles, trois sont nécessaires.
  • Contact avec des matériaux liquides et semi-solides : Par exemple, le contact avec l'essence, les graisses, les acides, les désinfectants et les liquides de nettoyage doit être évité, sauf s'ils font partie intégrante du composant ou de l'emballage du fabricant.
  • Contact avec les métaux : Certains métaux et leurs alliages (en particulier le cuivre, le manganèse et le fer) sont connus pour avoir des effets néfastes sur les élastomères. La protection par un emballage individuel est recommandée.
  • Contact avec de la poudre type talc : Des poudres telles que du talc ne doivent être utilisées que pour l'emballage d'articles en élastomère afin d'éviter qu'ils ne se collent entre eux. Dans ce cas, il convient d'utiliser la quantité minimale de poudre nécessaire.
  • Contact entre différents élastomères : Doit également être évité.
  • Joints en élastomère fixés à des parties métalliques : la partie métallique fixée aux joints en élastomère ne doit pas entrer en contact avec la partie en élastomère d'un autre joint. Le joint ainsi fixé à du métal est emballé individuellement. Tout produit de conservation utilisé sur le métal doit être tel qu'il n'affecte pas la partie en élastomère ou la liaison des deux éléments, à un point tel que le joint ne serait plus conforme à la spécification du produit.
  • Rotation des stocks : Le stock de joints élastomères doit être renouvelé selon le principe FIFO (First In, First Out).

Paramètres de stockage appropriés

Un stockage correct permet d'éviter une détérioration de votre joint torique.

  • ERIKS recommande les paramètres de stockage suivants :
  • Température ambiante (de préférence pas plus de 25°C)
  • Environnement sec et absence de contamination
  • Protection contre la lumière directe du soleil
  • Protection contre l'ozone et le rayonnement (UV)
  • Protection contre la lumière artificielle
  • Stocker la pièce sans tension (ne jamais suspendre les joints toriques !)
  • Emballage approprié (conserver les joints toriques dans leur emballage d'origine)

Entretien des joints toriques

Outre un stockage adéquat, il est également important de vérifier régulièrement le fonctionnement des joints toriques mis en place. S’assurer également qu'ils sont parfaitement nettoyés pour garantir un fonctionnement optimal. L'entretien périodique de vos machines doit donc inclure les joints toriques. Si ce n'est pas le cas, il est probable que les joints toriques de votre application auront une durée de vie plus courte.

Si vous nettoyez régulièrement vos machines, vous devez vous assurer que le joint torique est adapté à votre processus de nettoyage. En effet, tous les joints en élastomère ne résistent pas aux produits chimiques contenus dans les produits nettoyants. Les machines et les appareils sont également souvent nettoyés à l'aide de vapeur. Dans ce cas également, il faut veiller à ce que la vapeur n'endommage pas les joints toriques.

Détérioration du joint torique

Le choix de la bonne taille de joint torique, l'utilisation d'un joint torique adapté à l'application et un montage professionnel permettent généralement d'éviter les dommages. Néanmoins, il peut arriver que le joint torique soit endommagé. Il est alors important d'en connaître les causes afin de pouvoir y remédier de manière ciblée.

  • Dommages à l'installation dus à une erreur de montage : utilisez un kit de montage spécial pour joint torique pour un montage correct.
  • Déformation permanente due à une charge excessive : choisissez un matériau ayant un meilleur taux de compression ou une plus grande résistance à la température.
  • Durcissement et fissuration dus à la surchauffe : sélectionnez un mélange qui peut résister à des températures (extrêmement) élevées.
  • Fissures très fines dues à l'influence de la lumière/du soleil : choisissez un matériau qui résiste bien au vieillissement ou à l'ozone.
  • Distorsion due à l'extrusion : déterminer de nouveau la dimension de la gorge pour éviter un jeu trop important.
  • Torsion due à un déplacement dans la gorge : utilisez une graisse appropriée comme lubrifiant.
  • Décompression explosive (EAD) : utilisation de mélanges EAD spéciaux qui résistent au phénomène de décompression explosive.

Normes et standards

Les joints toriques sont fabriqués conformément à diverses normes en vigueur dans différents pays. Les normes spécifient le dimensionnel du joint torique : diamètre intérieur en fonction du diamètre du tore. La norme AS568 s'applique à la plupart des joints toriques d'ERIKS. AS signifie « Aerospace Standard » (norme aérospatiale).

La norme ISO 3601-1 définit aussi le dimensionnel et les tolérances d'un joint torique. Le contrôle des imperfections se fait selon la norme ISO 3601-3..

Alternatives aux joints toriques

Le joint torique est de loin le joint le plus fréquemment utilisé. Cependant, il existe des applications pour lesquelles d'autres joints sont mieux adaptés, par exemple un joint quadrilobe (X-ring) :

Prévention des fuites précoces dans une application dynamique et coulissante (étanchéité piston/tige) : Un joint torique peut vriller dans une application en translation, rendant ainsi une fuite possible. Cette torsion ne se produira pas avec un joint quadrilobe, grâce à sa stabilité.

Durée de vie plus longue dans une application dynamique : Un joint quadrilobe nécessite moins de pression de contact, a plus de surfaces de contact et peut être mieux lubrifié qu'un joint torique.

Force de déformation plus faible : Un joint quadrilobe est idéal pour des applications dans lesquelles les matériaux de l'assemblage ne sont pas très résistants, par exemple des cylindres ou boîtiers en plastique à paroi mince. Le boîtier doit être suffisamment solide pour déformer le joint et non l'inverse.

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