Pompe et (ou) moteur hydraulique à engrenage fonctionnant à l'eau

Abstract

 L'invention concerne une pompe et (ou) moteur hydraulique à engrenage permettant le fonctionnement à l'eau en moyenne et haute pression.
Le corps (1,2,3) est fabriqué dans un thermoplastique, les arbres (6,8) et les pignons (5,7) en acier inoxydable traité par trempe et revenu puis rectifiés pour tourner dans des paliers (4) fabriqués dans un thermoplastique. Le pignon mené (7), selon une variante, peut être fabriqué en bronze dur. Selon une autre variante, les pignons sont fabriqués dans le thermoplastique et les paliers (4) dans l'acier inoxydable.
La pompe et (ou) moteur hydraulique à engrenage fonctionnant à l'eau est particulièrement destiné aux applications pour lesquelles l'huile minérale présente un inconvénient ou un danger en cas de fuite du circuit, à servir de motricité des brosses des machines de nettoyage à partir de la pression de l'eau injectée.

Description

[0001] La présente invention concerne la conception d'une pompe et (ou) moteur hydraulique à engrenage, dru type constitué de deux pignons à denture extérieure, permettant le fonctionnement à l'eau, en moyenne et haute pression.

[0002] Il existe des pompes et (ou) moteur hydraulique à engrenage de même type fonctionnant à l'huile minérale, dont généralement, les corps et paliers sont fabriqués dans un alliage d'aluminium, et, les arbres et pignons dans un acier traité. Ces pompes et (ou) moteurs permettent des performances élevées en pression et (ou) en couple, et, en vitesse de rotation, grâce à leur fonctionnement avec de l'huile minérale, mais ils ne peuvent fonctionner à l'eau, tout d'abord parce que les matériaux utilisés sont oxydables, mais aussi parce que c'est l'huile minérale qui en plus de sa fonction anti-corrosion, assure la lubrification pour éviter le grippage des pignons entre eux et sur les faces intérieures des paliers, ainsi que le grippage des arbres dans leurs cavités. Dans certains cas, l'emploi d'huile minérale, en cas de fuite du circuit hydraulique présente des inconvénients, par exemple : pour une utilisation dans une fabrique de produits alimentaires à cause de la toxicité de l'huile, ou encore, dans une fabrique de textile à cause des risques de salissures, ou encore, dans des sites où le risque d'inflammabilité de l'huile minérale présente un danger.

[0003] Il existe également des pompes hydrauliques à engrenage de ce type destinées à des applications particulières :

• La demande de brevet US-A-2966860 (MAYNARD) décrit l'invention d'une pompe à engrenage permettant le transport de fluides corrodants tel que l'acide nitrique fumant. Cette pompe est adaptée au transport de fluides corrodants, grâce à la résistance à l'agression des produits véhiculés des matériaux utilisés pour sa fabrication, mais elle ne permet pas une utilisation à l'eau en tant que pompe et (ou) en tant que moteur, car pour une telle utilisation, un fonctionnement en moyenne ou haute pression est nécessaire. En effet, les matériaux utilisés et associés pour la fabrication des différentes pièces en frottement ne conviennent pas pour une telle utilisation. Le polytétra-fluoroethylène (téflon) même chargé à 25% de fibres de verre, en frottement sur de l'acier inoxydable, flue sous les contraintes mécaniques, de pression, de température, liées à une telle utilisation, et entraine le blocage des pignons.
• La demande de brevet GB-A-2138074 (GLYCO-ANTRIEBSTECHNIK) décrit l'amélioration d'une pompe hydraulique à engrenage également de même type, destinée à un fonctionnement avec un liquide à viscosité faible et pouvoir lubrifiant réduit.
• Cette pompe n'est pas conçue pour une utilisation à l'eau pure, mais pour une utilisation avec un mélange de 2 à 5% d'huile à l'eau, afin d'obtenir le minimum de viscosité et de pouvoir lubrifiant nécessaire à son fonctionnement.
• Les matériaux utilisés pour la fabrication des différentes pièces ne sont pas inoxydables entièrement mais traitées uniquement en surface et simplement aux endroits de frottement.
• L'amélioration apportée par rapport à une pompe hydraulique à engrenage traditionnelle, fonctionnant entièrement à l'huile minérale, repose sur une amélioration des performances en résistance à la corrosion, et en fonctionnement avec un pouvoir lubrifiant réduit, par un durcissement des surfaces en frottement sur un à trois centièmes de millimètre pour les pignons, les arbres, les coussinets, et, par un révêtement céramique, également de un à trois centièmes de millimètre, des faces intérieures des paliers et sur l'arbre du pignon menant sur sa surface en frottement avec son joint d'étanchéité de sortie.
• Les matériaux utilisés pour la fabrication des différentes pièces en frottement n'offrent pas un coefficient de frottement dynamique suffisamment bas pour permettre le fonctionnement à l'eau pure.

[0004] La pompe et (ou) moteur hydraulique à engrenage, fonctionnant à l'eau, selon l'invention permet, dans les sites, où, actuellement sont utilisés des pompes et (ou) moteurs hydrauliques à engrenage fonctionnant à l'huile minérale, et où, en cas de fuite d'un circuit hydraulique, l'huile minérale présente un risque de salissures, de toxicité, ou d'inflammabilité, de remédier à ces inconvénients et dangers, par une utilisation à l'eau pure. De plus, de nouvelles applications sont possibles, par exemple, dans la fonction moteur sur les machines de nettoyage, afin d'obtenir la motricité des brosses à partir de la pression de l'eau injectée pour les opérations de lessivage ou de rinçage, et en fonction pompe pour leur alimentation, ou encore, en fonction moteur sur des outils de découpe de tôle équipant des véhicules de secours et fonctionnant avec la réserve d'eau de ces véhicules d'incendie, ou encore dans toutes opérations de pompage d'eau quuand une pression importante est nécessaire.

[0005] L'invention, telle qu'elle est caractérisée dans les revendications, résout le problème consistant à créer une pompe et (ou) moteur hydraulique à engrenage, de type constitué de deux pignons à denture extérieure, permettant le fonctionnement à l'eau, en moyenne et haute pression.

[0006] L'ensemble des pièces composant la pompe et (ou) moteur hydraulique à engrenage fonctionnant à l'eau, en moyenne et haute pression, sont fabriquées dans des matériaux spécifiques, d'une part entièrement inoxydables dans la masse, d'autre part permettant le fonctionnement sans lubrification à l'huile minérale grâce aux caractéristiques physiques des matériaux utilisés et associés pour la fabrication des différentes pièces en frottement.

[0007] La pompe et (ou) moteur hydraulique à engrenage fonctionnant à l'eau est fabriquée suivant différents modèles dont la taille est variable selon la cylindrée. A l'intérieur de chaque modèle des variantes concernant les pignons, et les paliers, permettent une adaptation répondant aux contraintes spécifiques liées aux diverses utilisations possibles : soit contraintes mécaniques importantes et vitesse de rotation faible, soit contraintes mécaniques importantes et vitesse de rotation rapide, soit contraintes de poids de la pompe et (ou) moteur et contraintes mécaniques faibles.

[0008] Dans tous les cas, le corps avant, le corps central et le corps arrière sont fabriqués dans un thermoplastique offrant une résistance à l'hydrolyse et une bonne tenue mécanique jusquà une température de 250°C.

[0009] Dans tous les cas, les arbres des pignons sont fabriqués dans un acier inoxydable traité par trempe et revenu, et rectifiés, pour tourner dans les cavités des paliers.

[0010] Pour une adaptation à une utilisation avec des contraintes mécaniques importantes et une vitesse de rotation faible, le pignon menant et le pignon mené sont fabriqués dans un acier inoxydable traité par trempe et revenu, et rectifiés sur les surfaces des flancs et du haut de denture, pour tourner entre les paliers fabriqués dans un thermoplastique offrant une grande résistance à l'usure, un coefficient de frottement dynamique très bas, une résistance à l'hydrolyse et au fluage, une bonne tenue mécanique jusqu'à une température de 250°C, et dont les surfaces des faces intérieures sont rectifiées.

[0011] Pour une adaptation à une utilisation avec des contraintes mécaniques importantes et une vitesse de rotation rapide, seul le pignon menant est fabriqué dans l'acier inoxydable traité par trempe et revenu, et rectifié, et le pignon mené est fabriqué dans un bronze dur et les surfaces des flancs et du haut de denture sont rectifiées pour tourner entre les paliers fabriqués dans le thermoplastique offrant une grande résistance à l'usure, un coefficient de frottement dynamique très bas, une résistance à l'hydrolyse et au fluage, une bonne tenue mécanique jusqu'à une température de 250°C, et dont les surfaces des faces intérieures sont rectifiées.

[0012] Pour une adaptation à une utilisation avec des contraintes de poids de la pompe et (ou) moteur et des contraintes mécaniques faibles, les pignons menant et mené sont fabriqués dans le thermoplastique offrant une grande résistance à l'usure, un coefficient de frottement dynamique très bas, une résistance à l'hydrolyse et au fluage, une bonne tenue mécanique jusqu'à une température de 250°C et les surfaces des flancs et du haut de denture sont rectifiées, pour tourner entre les paliers fabriqués dans l'acier inoxydable traité par trempe et revenu et rectifiés sur les surfaces des faces intérieures.

[0013] Dans le cas de fabrication des paliers dans le thermoplastique, les cavités de ces paliers destinées à recevoir les arbres des pignons, sont usinées dans le thermoplastique de façon à permettre la rotation des arbres des pignons directement dans le thermoplastique.

[0014] Dans le cas de fabrication des paliers dans l'acier inoxydable, les cavités de ces paliers destinées à recevoir les arbres des pignons sont équipées de bagues bronze téflonnées à l'intérieur.

[0015] Les arbres, le haut de denture et les flancs des pignons, ainsi que les faces intérieures des paliers sont dans tous les cas rectifiés afin d'obtenir une parfaite qualité des états de surfaces pour d'une part permettre de limiter les fuites intérieures liées à la fluidité de l'eau, et d'autre part permettre la création d'un film d'eau entre les surfaces en frottement.

[0016] L'invention est exposée ci-après, plus en détail à l'aide du dessin représentant un mode de réalisation.

[0017] Ce dessin représente en "éclaté" selon l'invention une pompe et (ou) moteur hydraulique à engrenage, du type constitué de deux pignons à denture extérieure, permettant le fonctionnement à l'eau, en moyenne et (ou) haute pression.

[0018] Cette pompe et (ou) moteur est composée d'un corps avant (1), d'un corps central (2), d'un corps arrière (3), d'un pignon menant (5) muni de son arbre (6), d'un pignon mené (7) muni de son arbre (8), de deux paliers (4) dont les faces extérieures disposent de rainures (9) destinées à recevoir chacune un joint de compensation de pression (10) et qui également permet de compenser la dilatation des pièces, d'un joint anti-extrusion (11), d'un joint d'étanchéité d'arbre tournant (12) et son circlips de maintien (13) destinés à assurer l'étanchéité sur l'arbre (6) du pignon menant (5) à sa sortie du corps avant (1), de deux joints détanchéité (14) destinés à assurer l'étanchéité entre les corps (1), (2) et (3) montés à l'aide des axes de centrage (15) et serrés à l'aide des boulons (16) traversant le corps central (2) et vissés dans la face intérieure du corps avant (1), de trous (17) réservés pour la fixation de la pompe et (ou) moteur sur son support lors de sa mise en service.

[0019] Le principe général de fonctionnement est identique à celui des pompes et (ou) moteurs hydrauliques à engrenage fonctionnant à l'huile minérale : dans la fonction pompe, un moteur thermique ou électrique fait tourner les pignons (5) et (7) en transmettant son couple à l'arbre (6) du pignon menant , le pignon menant (5) entraine le pignon mené (7), et l'engrenage ainsi formé, en tournant provoque une aspiration à l'entrée de la pompe et une pression à la sortie; dans la fonction moteur, l'eau est injectée en pression par l'orifice d'entrée du moteur et ainsi fait tourner les deux pignons (5) et (7) pour sortir à l'orifice opposé, l'engrenage transmet son couple par l'intermédiaire de l'arbre du pignon menant (6).

[0020] Le corps avant (1), le corps central (2), le corps arrière (3) sont fabriqués dans un thermoplastique offrant :

• une résistance à l'hydrolyse
• et une bonne tenue mécanique jusqu'à une température de 250°C

[0021] Le thermoplastique choisi pour la fabrication de ces pièces doit impérativement offrir les caractéristiques ci-dessus, afin d'éviter toutes déformations de ces pièces soit par absorption d'eau, soit par les contraintes liées à la pression nécessaire au fonctionnement, soit par les contraintes liées à la température due à l'échauffement des différentes pièces en frottement et éventuellement augmentée dans le cas de fonctionnement avec de l'eau chaude. Ces trois pièces sont moulées ou usinées, et la surface des faces intérieures des corps avant (1) et arrière (3) ainsi que les faces correspondantes du corps central (2) et ses surfaces intérieures sont rectifiées si nécessaire pour permettre une adaptation parfaite des différentes pièces.
Compte tenu de la fluidité de l'eau, et afin d'obtenir un fonctionnement satisfaisant, les pignons (5) et (7) sont positionnés, sans jeu, dans le corps central (2), ceux-ci vont donc dès les premiers instants de fonctionnement "roder" l'intérieur du corps central (2), ainsi les fuites intérieures entre le haut de denture (20) nécessairement rectifié des pignons (5) et (7) et le corps central (2) sont limitées. Pour cette raison l'intérieur du corps central (2) ne peut être revêtu d'un traitement de surface destiné à le protéger de la corrosion ou à favoriser le frottement, celui ci serait immédiatement dégradé.

[0022] Les arbres des pignons (6) et (8) sont usinés dans un acier inoxydable traité par trempe et revenu, et rectifiés, pour tourner dans les cavités (18) des paliers (4). Ils sont montés respectivement sur leurs pignons (5) et (7) par refroidissement à l'azote.

[0023] Pour une adaptation à une utilisation avec des contraintes mécaniques importantes et une vitesse de rotation faible, le pignon menant (5) et le pignon mené (7) sont fabriqués dans un acier inoxydable traité par trempe et revenu, et rectifiés sur les surfaces des flancs (19) et sur le haut de denture (20) pour tourner entre les paliers (4) fabriqués dans un thermoplastique offrant :

• une grande résistance à l'usure
• un coefficient de frottement dynamique très bas
• une résistance à l'hydrolyse et au fluage
• une bonne tenue mécanique jusqu'à une température de 250°C

et dont les surfaces des faces intérieures sont rectifiées.Les pignons (5) et (7) sont usinés à partir d'un outil de coupe pour taillage de pignons hors standard. En effet les dents (21) des pignons sont très légérement plus épaisses que celles des pignons des pompes et (ou) moteurs fonctionnant à l'huile minérale. Compte tenu de la fluidité de l'eau, le jeu entre les dents (21), dans l'engrenage formé, sera limité pour réduire ainsi les fuites intérieures entre les deux pignons (5) et (7). Les surfaces des flancs (19) des pignons (5) et (7) sont rectifiés, ainsi que le haut de denture (20). Une rectification des surfaces des flancs des dents améliore le rendement de la pompe et (ou) moteur, mais compte tenu du coût de cette opération, elle n'est effectuée que pour des applications spécifiques.
Les paliers (4) sont fabriqués dans un thermoplastique qui doit impérativement offrir les caractéristiques énumérées ci-dessus afin :

• de limiter l'usure dans le temps des faces intérieures des paliers (4) en frottement sur les flancs (19) des pignons (5) et (7) et sur les arbres (6) et (8) dans les cavités (18) des paliers quand ceux ci ne sont pas équipés de bagues.
• de permettre ce frottement, sans risque de grippage, de freinage, malgré le serrage important exercé sur les pignons (5) et (7) par les deux paliers (4) entre les faces intérieures des corps avant (1) et corps arrière (3), afin de limiter les fuites intérieures liées à un fonctionnement en moyenne ou haute pression.
• d'éviter toutes déformations des paliers, soit par absorption d'eau, soit par la pression de l'eau, soit par la montée en température liée au frottement et éventuellement à la température de l'eau utilisée.

Pour exemple, le PEEK, marque déposée I.C.I., et commercialisé par POLYPENCO est un thermoplastique qui offre l'ensemble des caractéristiques nécessaires.
Les paliers (4) sont moulés ou usinés, et leurs surfaces intérieures sont rectifiées afin de limiter les fuites intérieures.

[0024] Pour une adaptation à une utilisation avec des contraintes mécaniques importantes et une vitesse de rotation rapide, seul le pignon menant (5) est fabriqué dans l'acier inoxydable traité par trempe et revenu, et rectifié, et le pignon mené (7) est fabriqué dans un bronze dur et les surfaces des flancs (19) et du haut de denture (20) sont rectifiées, pour tourner entre les paliers (4) fabriqués dans le thermoplastique offrant : une grande résistance à l'usure, un coefficient de frottement dynamique très bas, une résistance à l'hydrolyse et au fluage, une bonne tenue mécanique jusqu'à une température de 250°C.
Le mode de fabrication du pignon mené (7) dans le bronze dur est identique à celui des pignons dans l'acier inoxydable .

[0025] Pour une adaptation à une utilisation avec des contraintes de poids de la pompe et (ou) moteur et des contraintes mécaniques faibles, les pignons menant (5) et mené (7) sont fabriqués dans le thermoplastique offrant : une grande résistance à l'usure, un coefficient de frottement dynamique très bas, une résistance à l'hydrolyse et au fluage, une bonne tenue mécanique jusqu'à une température de 250°C et les surfaces des flancs (19) et du haut de denture (20) sont rectifiées, pour tourner entre les paliers (4) fabriqués dans l'acier inoxydable traité par trempe et revenu et rectifiés sur les surfaces des faces intérieures.
Les pignons menant (5) et mené (7) sont fabriqués dans le même thermoplastique que les paliers (4) correspondant aux adaptations précédentes.
Toutefois dans le cas d'utilisation d'un thermoplastique différent, il est préféré d'utiliser un thermoplastique favorisant le critère des caractéristiques mécaniques pour la fabrication des pignons, et un thermoplastique favorisant les performances en coefficient de frottement dynamique pour la fabrication des paliers.
Les pignons dans le thermoplastique sont moulés ou usinés et rectifiés. Les paliers (4) usinés dans l'acier inoxydable étant destinés à un fonctionnement avec les pignons (5) et (7) fabriqués dans le thermoplastique, donc pour une utilisation avec des contraintes mécaniques faibles, ont une épaisseur considérablement réduite pour des raisons d'encombrement et de poids.

[0026] Dans le cas de fabrication des paliers (4) dans le thermoplastique, leurs cavités (18) destinées à recevoir les arbres des pignons, sont usinées dans le thermoplastique de façon à permettre la rotation des arbres (6) et (8) des pignons (5) et (7) directement dans le thermoplastique.

[0027] Dans le cas de fabrication des paliers dans l'acier inoxydable, leurs cavités (18) destinées à recevoir les arbres (6) et (8) des pignons (5) et (7) sont équipées de bagues bronze téflonnées à l'intérieur.

Revendications

1) Pompe et (ou) moteur hydraulique à engrenage, du type constitué de deux pignons à denture extérieure, permettant le fonctionnement à l'eau, en moyenne et haute pression, caractérisé en ce que l'ensemble des pièces sont fabriquées dans des matériaux spécifiques, d'une part entièrement inoxydables dans la masse et d'autre part permettant le fonctionnement sans lubrification à l'huile minérale, grâce aux caractéristiques physiques des matériaux utilisés et associés pour la fabrication des différentes pièces en frottement.

2) Pompe et (ou) moteur hydraulique à engrenage permettant le fonctionnement à l'eau, selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps avant (1), le corps central (2), le corps arrière (3) sont fabriqués dans un thermoplastique offrant une résistance à l'hydrolyse et une bonne tenue mécanique jusqu'à une température de 250°C.

3) Pompe et (ou) moteur hydraulique à engrenage permettant le fonctionnement à l'eau, selon la revendication 1, caractérisé en ce que les arbres (6) et (8) des pignons (5) et (7) sont fabriqués dans un acier inoxydable traité par trempe et revenu et rectifiés.

4) Pompe et (ou) moteur hydraulique à engrenage permettant le fonctionnement à l'eau, selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour une adaptation à une utilisation avec des contraintes mécaniques importantes et une vitesse de rotation faible, le pignon menant (5) et le pignon mené (7) sont fabriqués dans un acier inoxydable traité par trempe et revenu, et rectifiés sur les surfaces des flancs (19) et du haut de denture (20), pour tourner entre les paliers (4) fabriqués dans un thermoplastique offrant une grande résistance à l'usure, un coefficient de frottement dynamique très bas, une résistance à l'hydrolyse et au fluage, une bonne tenue mécanique jusqu'à une température de 250°C, et dont les surfaces des faces intérieures sont rectifiées.

5) Pompe et (ou) moteur hydraulique à engrenage permettant le fonctionnement à l'eau, selon les revendications 1 et 4, caractérisé en ce que pour une adaptation à une utilisation avec des contraintes mécaniques importantes et une vitesse de rotation rapide, seul le pignon menant (5) est fabriqué dans l'acier inoxydable traité par trempe et revenu, et rectifié, et le pignon mené (7) est fabriqué dans un bronze dur et les surfaces des flancs (19) et du haut de denture (20) sont rectifiées, pour tourner entre les paliers (4) fabriqués dans le thermoplastique offrant une grande résistance à l'usure, un coefficient de' frottement dynamique très bas, une résistance à l'hydrolyse et au fluage, une bonne tenue mécanique jusqu'à une température de 250°C, et dont les surfaces des faces intérieures sont rectifiées.

6) Pompe et (ou) moteur hydraulique à engrenage permettant le fonctionnement à l'eau, selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour une adaptation à une utilisation avec des contraintes de poids de la pompe et (ou) moteur et des contraintes mécaniques faibles, les pignons menant (5) et mené (7) sont fabriqués dans le thermoplastique offrant une grande résistance à l'usure, un coefficient de frottement dynamique très bas, une résistance à l'hydrolyse et au fluage, une bonne tenue mécanique jusqu'à une température de 250°C et les surfaces des flancs (19) et du haut de denture (20) sont rectifiées, pour tourner entre les paliers (4) fabriqués dans l'acier inoxydable traité par trempe et revenu et rectifiés sur les surfaces des faces intérieures.

7) Pompe et (ou) moteur hydraulique à engrenage permettant le fonctionnement à l'eau, selon les revendications 4 et 5, caractérisé en ce que dans le cas de fabrication des paliers (4) dans le thermoplastique, les cavités (18) de ces paliers (4) destinées à recevoir les arbres (6) et (8) des pignons (5) et (7) sont usinées dans le thermoplastique de façon à permettre la rotation des arbres (6) et (8) des pignons (5) et (7) directement dans le thermoplastique.

8) Pompe et (ou) moteur hydraulique à engrenage permettant le fonctionnement à l'eau, selon la revendication 6, caractérisé en ce que dans le cas de fabrication des paliers (4) dans l'acier inoxydable, les ) cavités (18) de ces paliers (4) destinées à recevoir les arbres (6) et (8) des pignons (5) et (7) sont équipées de bagues bronze téflonnées à l'intérieur.

Dessins