Brevet FR2545547A1 — publié le 19841109

L'invention concerne d'une manière générale les machines hydrauliques à engrenage, telles que des pompes et des moteurs à engrenage utilisés dans des circuits hydrauliques à haute pression L'invention concerne plus particulièrement la conception des éléments de corps exté- rieurs pour des machines hydrauliques à engrenage Ces éléments de corps doivent renfermer hermétiquement et efficacement les organes de travail des machines à engrenage, en particulier lorsque ces machines sont soumises à une action d'inversion périodique L'expression "machine à engrenage" utilisée dans le présent mémoire désigne une pompe à engrenage, un moteur à engrenage ou une machine hydraulique capable de travailler comme l'un ou comme l'autre. Les corps de conception antérieure présentent une aptitude limitée à supporter des charges de pression extrêmement élevées pendant de longues durées Dans de telles applications, il faut accrottre l'épaisseur des corps pour des raisons de rigidité et de résistance et, par conséquent, ces corps sont de conception relativement massive Le résultat est que, alors que certaines appli- cations exigent certaines réductions de dimensions telles que, par exemple, un profil axial raccourci du corps, ces dernières exigences sont compromises par les critères de résistance demandés ou en dépendent Lorsque de telles exigences dimensionnelles sont inévitables, les charges nominales des corps dont la conception est ainsi affectée sont sensiblement réduites. De plus, malgré les compromis entre les para- mètres de résistance et de dimensions, de nombreux corps de conception antérieure présentent une charge radiale nette inévitable à l'interface des-surfaces d'assemblage des éléments de corps, cette charge tendant à provoquer une translation latérale d'un élément de corps par rapport à l'autre Dans certaines applications, la charge nette est si élevée que la translation provoque un mouvement alternatif de glissement des plaques d'engrenage disposées à l'intérieur des machines hydrauliques, ce qui a pour résultat une perte du rendement de la machine Même dans des applications de machines à engrenage soumises àdbs forces moins élevées, un fluage ou un relâchement des forces de bridage entre les surfaces d'assemblage a entrainé également, bien que plus lentement, des pertes de rendement dans la machine à engrenage. Il existe donc la nécessité de disposer d'un corps de conception assemblée, qui ne soit pas soumis à des compromis entre des contraintes dimensionnelles et des exigences de résistance, ni à une charge radiale nette. La nécessité de disposer d'un tel corps se fait d'autant plus sentir que les pressions des circuits hydrauliques deviennent de plus en plus élevées avec les progrès de la technologie. L'invention concerne une machine hydraulique à engrenage comportant un corps de conception assemblée qui n'est pas sujet à des pertes de résistance radiale à la suite d'une réduction d'épaisseur ou d'autres dimen- sions concernant la structure De plus, les éléments du corps n'ont pas de tendance propre à se déplacer les uns par rapport aux autres au niveau de leurs surfaces d'assemblage lorsque les pressions hydrauliques deviennent plus élevées Par conséquent, les plaques d'engrenage disposées à l'intérieur des machines ne sont pas à l'origine des pertes de rendement rencontrées dans les machines hydrauliques à engrenage-de l'art antérieur. Une forme préférée de réalisation de la machine à engrenage selon l'invention comprend deux éléments de corps extérieurs présentant des surfaces opposées d'assemblage qui s'étendent dans un plan orienté radiale- ment, transversalement à deux arbres à roues dentées dans la machine La force radiale nette résultante de séparation s'exerçant entre les deux surfaces d'assemblage est nulle De plus, les surfaces d'assemblage s'étendant radialement sont placées entre les paliers de chaque côté de deux roues dentées en prise Les surfaces d'assem- blage sont symétriques par rapport aux roues dentées et elles sont parallèles à,et équidistantes de,chacune des surfaces radiales des plaques de pression juxtaposées à chaque face des roues dentées. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: la figure 1 est une coupe transversale d'une forme préférée de réalisation de la machine hydraulique à engrenage selon l'invention; la figure 2 est un schéma de la machine à engrenage de la figure 1, comprenant un graphique qui représente le champ de forces produit par la pression hydraulique; et les figures 3, 4 et 5 sont des coupes trans- versales de machines hydrauliques à engrenage de l'art antérieur. La figure 1 représente une machine 10 à engrenage qui comprend deux roues dentées 12 fixées chacune sur un arbre 14 de façon à tourner avec lui Dans la forme de réalisation représentée et décrite, la machine 10 assume la fonction d'une pompe Pour plus de commodité, un seul ensemble à roue dentée et arbre associés est montré Les roues dentées 12 sont constamment en prise l'une avec l'autre et agissent de façon à produire une pression hydrau- lique et donc à faire circuler un fluide hydraulique d'un orifice 26 à basse pression vers un orifice 28 à haute pression Une rainure 16 de clavetage réalisée sur l'un des arbres 14 permet d'utiliser des moyens d'accouplement pour faire tourner la roue dentée 12 à l'intérieur de la machine 10 à l'aide d'une source de force extérieure. La roue dentée associée 12, qui n'est pas représentée, est montée sur un arbre court 14 placé immédiatement en arrière de l'ensemble à arbre et roue dentée visible, et en alignement sur cet ensemble. Les ensembles respectifs à roues dentées et arbre sont logés à l'intérieur d'un corps divisé 18 qui comprend deux éléments séparés 20 et 22 Ces éléments 20 et 22 sont assemblés hermétiquement au niveau de surfaces radiales 24 d'assemblage s'étendant circonférentiellement autour de la roue dentée 12 et définissant un plan radial P-P (à titre de référence) Ainsi qu'on peut le voir, le plan P-P s'étend transversalement aux arbres 14 Bien que l'arbre 14 soit généralement un élément d'une seule - pièce passant dans un alésage de la roue dentée 12, des tronçons d'arbre indépendants 30 et 32, disposés de chaque côté de la roue dentée 12, sont définis dans le cas présent. Comme illustré, le premier tronçon 30 de l'arbre constitue le tronçon supérieur tandis que le second tronçon 32 est constitué par la partie inférieure de l'arbre 14 Le premier tronçon 30 est supporté à l'in- térieur de l'élément supérieur 20 de corps par un premier coussinet 34, tandis que le second tronçon 32 de l'arbre est supporté dans l'élément inférieur 22 du corps par un second coussinet 36 Selon la pratique classique des machines hydrauliques à engrenages, des première et seconda - plaques 42 et 44 de pression sont juxtaposées aux premier et second côtés 38 et 40, respectivement, de la roue dentée 12 Ces plaques de pression assurent le rendement volumé- trique de la machine à engrenage, ainsi qu'il est bien connu de l'homme de l'art. La figure 2 représente schématiquement la machine 10 à engrenage, ainsi que le champ des forces produit par le côté à haute pression de la machine qui assume ici la fonction d'une pompe comme indiqué précé- demment Il convient de noter que la différence de pressiozr entre les côtés à haute pression et à basse pression de la machine a pour effet d'engendrer une force diffé- rentielle résultante ou nette entre les côtés respectifs-. L'amplitude de cette force dépend de paramètres de chaque ensemble individuel à roue dentée et arbre, et elle est plus particulièrement une fonction de la largeur W de la roue dentée, du diamètre D de cette roue dentée et de la différence de pression hydraulique entre les côtés à haute pression et à basse pression de la machine. Il apparait également à l'homme de l'art que ces pressions différentielles existant dans les machines hydrauliques à engrenages varient, dans la direction axiale, d'une extrémité de l'un des coussinets 34 et 36 à l'extrémité opposée de l'autre coussinet, ces coussinets étant espacés axialement Il existe donc un vecteur force résultante "F" qui agit centralement sur la roue dentée 12 et qui est supporté, sous la forme de réactions inverses égales à " 1/2 F", par les coussinets. Il en résulte un champ de forces s'étendant axialement, représenté par le graphique de la figure 2 sur lequel "L" est égal à la longueur de chaque coussinet, et "X" représente l'abscisse s'étendant parallèlement à l'axe de l'arbre, à partir de l'extrémité de gauche du coussinet 34 Ainsi, si "'A" représente l'aire utile sur laquelle la pression différentielle "P" s'exerce, "A" est égal à "W x D", et en tout point local donné le long de l'axe X, la valeur de la force exercée devient égale à "KAP", o "K" est une constante sans dimension. Il apparaît également à l'homme de l'art que la position axiale 25 (indiquée par une ligne pointillée sur la figure 2) du plan d'assemblage, le long des abscisses X, détermine la valeur particulière de la force de glissement obtenue dans un agencement de corps parti- culier Ainsi, conformément au graphique, des forces maximales sont atteintes lorsque le plan d'assemblage P-P est placé aux extrémités intérieures des coussinets, c'est-à-dire sur les côtés 38 et 40 de la roue dentée 12; ou bien, en référence à la figure 1, à la ligne de contact entre les plaques de pression 42 et 44 et la roue dentée 12 Des forces minimales ou nulles sont obtenues lorsque le plan d'assemblage est situé à l'une ou l'autre des extrémités extérieures des coussinets 34 et 36, et au point central ou intermédiaire de la roue dentée 12 Les figures 3, 4 et 5 montrent plusieurs exemples d'emplacements de plans d'assemblage utilisés dans l'art antérieur, à titre de comparaison Par exemple, sur la figure 3, le plan d'assemblage P'-P' est placé entre les extrémités du coussinet 34 ' Si l'on revient brièvement à la figure 2, on voit que la position parti- culière du plan P'-P' présente une valeur nette de force de glissement des surfaces d'assemblage proche d'un maximum, notamment dans la mesure o le plan passe par l'extrémité intérieure du coussinet 34 ' Ainsi, il existe un risque important de mouvement relatif entre les surfaces d'assemblage 24 ' des éléments 20 ' et 22 ' du corps montré sur la figure 3. Sur la figure 4, on utilise un corps à trois pièces comprenant trois éléments séparés 20 ', 21 ' et 22 '. Ce montage particulier donne deux plans d'assemblage P'-P' et il présente donc une double exposition au phénomène de forces de glissement De plus, il convient de noter en référence au graphique de la figure 2, que la double exposition est en outre aggravée par le fait que les deux plans P'P' sont positionnés radialement de façon à passer par les parties intérieures des coussinets 34 ' et 36 '. Cependant, la figure 5 montre une version d'un corps 18 ' de machine hydraulique à engrenage de l'art antérieur, qui est améliorée par rapport aux formes de réalisation des figures 3 et 4, mais uniquement en ce qui concerne la charge radiale nette Ainsi, dans la forme de réalisation de la figure 5, le plan d'assemblage P'-P' passe par l'extrémité extérieure du coussinet 34 ' et passe donc par le point o la force nette de glissement est nulle conformément au graphique de la figure 2 Cepen- dant, il est évident à l'homme de l'art que la conception du corps assemblé de la figure 5 ne permet pas de diminuer les dimensions axiales ou les profils axiaux, comme c'est le cas de la forme de réalisation de la figure 1 Par exemple, en augmentant les dimensions de la machine à engrenage, on provoque un allongement de l'élément infé- rieur 22 ' du corps et, à un certain stade, l'élément 22 ' présentera un alésage 50 ' dont la profondeur importante sera critiquable résultantes doivent être abaissées de façon correspon- dante Par contre, la forme préférée de réalisation de l'invention montrée sur la figure 1 permet de réaliser des alésages 50 beaucoup moins profonds dans tout élément simple, dans la mesure o les deux éléments 20 et 22 du corps peuvent être utilisés pour se partager la profon- deur totale et globale demandée pour l'alésage Il en résulte la possibilité de rendre le corps 18 beaucoup plus résistant, quand bien même les dimensions physiques globales doivent être agrandies pour satisfaire les exi- gences de fonctionnement. En résumé, l'emplacement particulier du plan d'assemblage P-P (figure 1) de la présente invention donne deux avantages importants Le premier avantage est que la charge radiale nette entre les surfaces d'assem- blage est nulle et que l'on obtient donc une machine hydraulique plus robuste de par sa nature Le deuxième avantage est que le plan des surfaces d'assemblage s'éten- dant parallèlement aux surfaces de travail des plaques de pression respectives 42 et 44, et à égale distance de ces surfaces de travail, on peut utiliser des éléments de corps relativement plus petits sans diminution corres- pondante des charges nominales, comme c'est le cas dans l'art antérieur. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à la machine décrite et représentée sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Machine hydraulique à engrenage comprenant deux éléments de corps extérieurs ( 20, 22) qui présentent des surfaces radiales ( 24) d'assemblage, opposées axiale- ment, la machine à engrenage comprenant en outre deux roues dentées ( 12) en prise l'une avec l'autre, deux arbres ( 14) portant chacun centralement une roue dentée, et des premier et second paliers ( 34, 36) disposés aux extré- mités opposées de chaque arbre, la machine hydraulique à engrenage étant caractérisée en ce que les surfaces d'assemblage s'étendent radialement vers l'extérieur des roues dentées dans un plan (P-P) orienté transversalement à l'arbre et passant en un point situé entre les premier et second paliers. 2 Machine à engrenage selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque roue dentée comprend deux côtés ( 38, 40) s'étendant radialement et espacés axialement, la machine comprenant en outre deux plaques de pression ( 42, 44) qui présentent chacune une surface - radiale appliquée contre chacun desdits côtés, lesdites surfaces s'étendant parallèlement au plan et à égale dis- tance de ce dernier. 3 Machine à engrenage selon la revendication 1, caractérisée en ce que les roues dentées produisent un champ de forces variables s'étendant axialement entre une première extrémité extérieure d'un premier palier et une seconde extrémité extérieure d'un second palier, chaque force localisée le long dudit champ risquant de faire glisser latéralement un élément de corps par rapport à l'autre, les surfaces d'assemblage étant situées dans un plan qui contient une force radiale nette localisée de valeur nulle. 4 Machine à engrenage selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'une force localisée maximale orientée le long du champ de forces variables est une fonction de la largeur des roues dentées, de leur dia- mètre et de la pression hydraulique développée par la rotation desdites roues dentées. Machine à engrenage selon la revendication 4, caractérisée en ce que les premier et second paliers sont des coussinets. 6 Machine à engrenage, caractérisée en ce qu'elle comporte deux éléments de corps extérieurs ( 20, 22) présentant des surfaces d'assemblage sur chacun des arbres, les surfaces d'assemblage s'éten- dant radialement vers l'extérieur des roues dentées dans un plan (P-P) orienté transversalement à l'arbre et passant à un point situé entre les premier et second paliers. 7 Machine hydraulique à engrenage, caractérisée en ce qu'elle comporte deux éléments extérieurs ( 20, 22) de corps qui présentent des surfaces d'assemblage ( 24) s'étendant radialement et opposées axialement, la machine à engrenage comprenant en outre deux roues dentées ( 12) en prise l'une avec l'autre, deux arbres ( 14) portant chacun centralement une roue dentée, des premier et second paliers ( 34, 36) disposés sur chacun des arbres, les surfaces d'assemblage s'étendant radialement vers l'extérieur des roues dentées dans un plan (P-P) orienté transversalement à l'arbre et passant en un point situé entre les premier et second paliers, chacune desdites roues dentées présentant deux côtés ( 38, 40) s'étendant radialement et espacés axialement, la machine comportant en outre deux plaques de pression ( 42, 44) qui présentent chacune une surface radiale s'appliquant contre l'un des côtés des roues dentées, de manière que lesdites surfaces s'étendent parallèlement audit plan et à égale distance de ce dernier.