Brevet FR2544024A1 — publié le 19841012

L'invention concerne une pompe hydraulique comportant au moins un élément de déplacement tournant dans un corps et d'autres composants destinés au processus de déplacement, dans laquelle une pellicule lubrifiante hydrodynamique est constituée dans les régions de parties en mouvement relatif, les éléments de déplacement étant guidés dans des parties de guidage radiales et axiales et pouvant être entraînés par l'intermédiaire d'un arbre d'entraînement, qui sort du corps de façon étanche en passant par un anneau d'étanchéité d'arbre. En oléohydraulique, on connaît comme pompes volumétriques différentes sortes de pompes hydrauliques. Elles comprennent, par exemple, la pompe cellulaire à palettes et la pompe à engrenages Par élément de déplace- ment, mentionné plus haut, on entend dans les pompes à engrenages les pignons et dans la pompe cellulaire à palettes, la combinaison de rotor et d'ailettes Dans le cas de la pompe cellulaire à palettes, un autre cons- tituant nécessaire au processus de déplacement est l'anneau de course, éventuellement aussi le corps façonné excentriquement qui peut assumer la fonction de l'anneau de course. Jusqu'ici, on utilise en oléohydraulique les pompes hydrauliques connues Il s'agit ici principalement d'huiles minérales ayant une viscosité de 20 à 60 mm 2/s à 50 C Dans la mesure o le liquide hydraulique dont on dispose a une viscosité suffisante, il n'existe pas de problèmes dans les pompes hydrauliques connues, même en ce qui concerne le pouvoir lubrifiant. Cependant, dans les machines à souder, les machines à fermer les fours, les machines à travailler les matières combustibles, etc, on a déjà essayé aussi d'utiliser des liquides hydrauliques non combustibles parce que, dans ces machines, un défaut du système hydrau- lique pourrait conduire rapidement à l'inflammation de toute l'installation De tels liquides hydrauliques non combustibles se distinguent sensiblement des huiles hydrauliques minérales généralement usuelles Par exemple, le pouvoir lubrifiant devient particulièrement critique 2544 t 24 dans le cas d'émulsions L-H qui, étant donné leur faible teneur en huile de 2 à 5 %, sont très fluides et ressemblent davantage à l'eau, aussi bien en ce qui concerne leur action lubrifiante que leur résistance à la compression et leur effet de protection contre la corrosion On a déjà recherché des fluides de travail à base aqueuse ( 95 % d'eau) dans les mines, la construction de presse, etc, et on a conçu des installations à cet effet Toutefois, dans le cas de fluides peu visqueux, on a dû élaborer, pour les différents composants de système comme par exemple les pompes et les valves, des constructions spéciales qui présen- tent comme inconvénients des dépenses particulières et une longévité réduite. On a toujours besoin de systèmes hydrauliques destinés à pomper des émulsions, car ils entraîneraient éventuellement un avantage, à savoir que l'on peut utiliser un même fluide pour la lubrification et le refroidissement. Il est déjà connu, par exemple, dans la construction de machines-outils, d'utiliser pour le refroidissement, de l'huile de coupe ou d'autres émulsions, mais pour la lubri- fication, de l'huile minérale de viscosité supérieure Il existe ici un risque de mélange et donc d'introduction d'impuretés dans l'un ou l'autre fluide. Outre le besoin d'un liquide hydraulique diffi- cilement inflammable qui puisse servir aussi bien à lubri- fier qu'à refroidir, de façon que l'on travaille avec un seul liquide, une autre condition posée est la bonne dissi- pation de chaleur ou la bonne conductibilité thermique. Comme on le sait, la conductibilité thermique des huiles minérales est inférieure à celle des émulsions. Donc, bien que l'on souhaite utiliser des flui- des peu visqueux au lieu d'huiles minérales, il n'y a pas encore de pompes hydrauliques qui puissent être construites et fonctionner de façon économique et qui aient une grande longévité Lorsqu'on utilise des pompes à engrenages et aussi des pompes cellulaires à palettes, on constate, lors du traitement ou du pompage de liquides hydrauliques peu visqueux, que l'épaisseur de la pellicule lubrifiante devient si petite que les parties en mouvement relatif arrivent dans le domaine de frottement mixte et sont donc soumises à une forte usure. Ce problème est particulièrement prononcé dans le cas de la pompe à engrenages, dans laquelle les pignons sont montés dans une lunette Celleci subit la pression de pompage et se plaque contre le côté frontal des pignons, de sorte qu'il se produit une action d'étanchéité dépendant de la pression Lorsqu'on utilise des fluides peu visqueux, il faudrait, pour éviter les fuites et pour atteindre un rendement élevé, diminuer l'interstice d'étanchéité, mais cela augmente le risque de faire arriver les parties en mouvement dans le domaine de frottement mixte Par suite, on n'est pas encore arrivé jusqu'ici à réaliser une pompe hydraulique économique pour émulsions. C'est pourquoi, le but de l'invention est de fournir une pompe hydraulique de l'espèce indiquée au début qui puisse servir même pour des fluides peu visqueux, avec un rendement satisfaisant et une grande longévité, dans -les domaines des moyennes et hautes pressions Par domaines des moyennes pressions, on entend 40 à 80 bars Dans les domaines de hautes pressions, pour les huiles minérales, on utilise actuellement des pompes à piston et on atteint ou même jusqu'à 300 bars. Pour réaliser une pompe hydraulique fonctionnant de façon satisfaisante au sens indiqué ci-dessus, on prévoit, selon l'invention, qu'au moins-la surface de l'élément de déplacement, avec tourillon et surface de roulement d'anneau d'étanchéité, ainsi que les autres composants nécessaires au processus de déplacement, soient nitrurés au plasma et que les éléments de guidage axial soient revêtus de cérami- que La fabrication d'une telle pompe hydraulique se justifie économiquement, elle fonctionne dans le domaine de pression exigé, elle a une grande longévité et un bon rendement qui peut, ici, être estimé à environ 70 % et davantage La nouvelle pompe hydraulique permet de pomper des fluides peu visqueux, de préférence des émulsions à base aqueuse, qui ont une bonne conductibilité thermique et dont le pouvoir lubrifiant est suffisant grâce au couple de matériaux prévu, selon l'invention, aux endroits exposés 2 $ 44 2} à l'usure Les surfaces des parties de la pompe qui tournent les unes contre les autres sont nitrurées au plasma et/ou revêtues de céramique Pour construire une pompe à engrenages avec dentures extérieures qui soit économique, il suffit de durcir par nitruration au plasma les pignons, y compris les tourillons et la surface de roulement d'anneau d'étanchéité. Les éléments de guidage axial, c'est-à-dire, dans le cas de la pompe à engrenages avec dentures extérieures, la lunette, dans le cas de la pompe à engrenages avec dentures intérieu- res, des éléments du corps et dans le cas de la pompe cellu- laire à palettes, le corps, doivent de préférence être revêtus de céramique, Il est vrai qu'il est en soi connu de durcir des roues dentées ou, en général, de durcir la surface d'une pièce Pour obtenir par nitruration des pièces une surface enrichie en azote, on connaît déjà la nitruration par échange d'ions, dans laquelle on décompose de l'ammoniac à l'aide d'un effluve et on amène l'azote à la surface de l'acier. Toutefois, il est apparu que des flancs de dents de pignons de pompes à engrenages, durcis de cette façon, avaient une longévité de 200 heures seulement lorsqu'on f Laisait fonctionner la pompe hydraulique avec un fluide à base aqueuse Par contre, si, selon l'invention, on nitrure au plasma la surface de l'élément de déplacement et des autres composants nécessaires au processus de déplace- ment, on obtient un doublement du degré de durcissement relativement aux procédés antérieurs de durcissement des flancs de dents, par exemple De façon surprenante, il est apparu que dans le cas des pompes hydrauliques décrites, des surfaces nitrurées au plasma donnent une longévité de 3000 heures sans usure décelable. Etant donné que des interstices ou jeux entre les parties en mouvement relatif sont responsables du rendement volumétrique et mécanique, on peut, en sélection- nant les matériaux selon l'invention, obtenir un rendement notablement amélioré ou de moindres pertes, y compris dans l'utilisation pour des fluides peu visqueux. Les éléments de guidage axial sont, dans le cas des roues à denture extérieur, les paliers-lunettes On peut fabriquer ceux-ci en aluminium, en bronze, en fonte grise, en ferro-fonte, etc, c'est-à-dire en matériaux ayant des propriétés de roulement à sec pendant un temps limité. Toutefois, il s'agit ici de matériaux tendres qui s'usent dans le service normal En ce qui concerne les paliers- lunettes des pompes à engrenages avec dentures extérieures ou les éléments de guidage axial en général, on résout généralement le problème, dans les pompes hydrauliques, par un revêtement de céramique On peut avantageusement appliquer sur le métal, de préférence sur l'acier, de l'oxyde d'aluminium et du dioxyde de titane comme couche céramique. Il n'est pas nécessaire d'appliquer un traite- ment superficiel spécial aux éléments de guidage radial si les tourillons de l'élément de déplacement, les tourillons des pignons dans le cas de la pompe à engrenages avec dentures extérieures, sont nitrurés au plasma La surface de roulement entre l'anneau d'étanchéité et l'arbre d'entraînement est de préférence traitée de cette façon, c'est-à-dire durcie par nitruration au plasma. Toutefois, il est particulièrement avantageux que, selon l'invention, cette surface de roulement de l'arbre d'entraînement contre l'anneau d'étanchéité soit en outre revêtue de céramique Sans durcissement particulier de la région située sous l'anneau d'étanchéité d'arbre, on a constaté que la matière synthétique taille des stries dans l'arbre et qu'au bout d'un fonctionnement prolongé, elle endommage même un arbre trempé si l'anneau d'étanchéité est un anneau revêtu par exemple de polytétrafluoréthylène, ainsi qu'il est en soi connu Par suite, dans la région du joint à lèvre ou sur la surface de roulement, sous l'anneau d'étanchéité d'arbre, est prévu un revêtement de céramique. Ainsi, les dommages sont éliminés, même lors d'un fonction- nement prolongé. Il peut aussi être très avantageux que les tourillons soient revêtus de céramique Cette mesure favo- rise également la résistance à l'usure et augmente la longévité de la pompe hydraulique selon l'invention, Suivant un autre mode d'exécution avantageux de l'invention, dans les éléments de guidage radial est inséré au moins un coussinet en matériau stratifié, de préférence à base d'acier et de matière synthétique Ainsi, dans le cas de la pompe à engrenages avec dentures extérieures, le coussinet est inséré dans la lunette comme une sorte de doublage, ce qui augmente l'aptitude à l'enrobage, par exemple, de particules solides entraînées qui constituent des parties abrasives. L'épaisseur de la couche de nitruration est de préférence comprise entre 1/100 et 3/100 de mm La couche de céramique, qui a une résistance particulière à l'usure-, a de préférence une épaisseur de 1/10 à 3/10 de mm. D'autres avantages, particularités et possibi- lités d'application de l'invention apparaîtront dans la description suivante, portant sur un exemple d'exécution préférentiel et se référant aux dessins, dans lesquels la figure 1 est une coupe d'une pompe à engrenages avec dentures extérieures, la figure 2 une autre coupe de la même pompe suivant la ligne II-II de la figure 1, la figure 3 une élévation partielle agrandie de la partie gauche de la figure 2, et la figure 4 la vue partielle à plus grande échelle de la figure 3, avec coussinet. La pompe hydraulique représentée par les dessins présente un corps 1 avec couvercle d'étanchéité 2 et couvercle de fermeture 3 Sous les couvercles 2 et 3 se trouvent des paliers-lunettes 4 formés d'éléments de guidage radial et axial Dans ceux-ci sont montés, par les touril- lons 7, comme éléments de déplacement tournants, deux pignons, à savoir le pignon d'entraînement 5 et le pignon entraîné 6 L'un des tourillons 7 du pignon d'entraînement 5 est prolongé de manière à sortir du couvercle d'étanchéité 2 et se prolonge par l'arbre d'entraînement 8, dont le coulisseau 9 est représenté comme entraîneur dans les figures 2 et 3 Le tourillon prolongé 7 du pignon d'entr ai- nement 5, qui passe à travers le couvercle d'étanchéité 2, 254 14024 présente dans la région du couvercle 2 la surface de roule- ment d'anneau d'étanchéité 10 (représentée plus particulière- ment dans la figure 3) qui se trouve dans la région de l'anneau d'étanchéité d'arbre 11 Cet anneau est revêtu de polytétrafluoréthylène ou d'un polymère similaire. Dans la figure 1, on voit nettement que dans le cas de la pompe à engrenages avec dentures extérieures, les deux parties en mouvement relatif sont conçues sous la forme de pignons 5, 6 jouant le rôle d'éléments de déplacement et qui, en service, sont exposés à une usure particulière Pour maintenir celle-ci dans des limites économiquement toléra- bles, même si l'on-utilise la pompe hydraulique pour des fluides peu visqueux, la surface du pignon d'entraînement 5 avec tourillon 7, jusqu'à l'arbre d'entraînement 8, ainsi que celle du pignon entraîné 6, sont nitrurées au plasma Dans la figure 3, cette couche de nitruration 16 est indiquée schématiquement par des hachures croisées On peut f acile- ment se représenter que toute la surface des éléments de déplacement 5 et 6 est entièrement nitrurée au plasma, comme représenté aussi, schématiquement, dans la figure 3. Pour donner aux surfaces latérales de butée 12 des paliers-lunettes 4 et des éléments de guidage radial et axial une résistance particulière à l'usure, ils sont revêtus d'une couche de céramique 13 qui est indiquée dans la figure 3 par les hachures obliques serrées (à la différence des hachures croisées). Dans ce mode d'exécution, la surface de roulement d'anneau d'étanchéité d'arbre 10 est revêtue de céramique. dans la région de l'anneau d'étanchéité d'arbre 11 et c'est pourquoi la surface 10 présente, dans la figure 3, des hachures obliques analogues. Dans la figure 4 a été représenté l'autre mode d'exécution, dans lequel des coussinets 19 formés d'un matériau stratifié sont insérés dans les ouvertures 20 des paliers-lunettes 4, le matériau stratifié étant à base d'acier et de matière synthétique En effet, dans le mode d'exécution représenté dans les figures 1 à 3,-il est apparu que sans ces coussinets, on pouvait travailler 3000 heures sans usure décelable Cela était particulièrement surprenant si l'on considère la région de transmission de force propre- ment dite, désignée dans la figure 1 par la référence géné- rale 14, d'autant plus que dans le cas de fluides peu visqueux, l'épaisseur de la pellicule lubrifiante est très réduite ici, comme dans d'autres régions à mouvement relatif. Par suite du haut degré de durcissement dû à la nitruration au plasma, l'usure a pu, en général, être maintenue à des valeurs étonnamment faibles. Les flèches 15 dans la figure 1 indiquent, dans le sens de rotation déterminé par les flèches courbes sur les pignons 5 et 6, le sens de pompage du fluide peu vis- queux. 254440,24 -R E V E N D I C A T I O N S- 1 Pompe hydraulique comportant au moins un élément de déplacement ( 5,6) tournant dans un corps ( 1) et d'autres composants destinés au processusde déplacement, dans laquelle une pellicule lubrifiante hydrodynamique est constituée dans les régions de parties en mouvement relatif, les éléments de déplacement ( 5, 6) étant guidés dans des parties de guidage radiales et axiales ( 4) et pouvant être entraînés par l'intermédiaire d'un arbre d'entraînement ( 8) qui sort du corps ( 1) de façon étanche en passant par un anneau d'étanchéité d'arbre ( 11), pompe caractérisée par le fait qu'au moins la surface de l'élément de déplacement ( 5, 6), avec tourillon ( 7) et surface de roulement d'anneau d'étanchéité ( 10) ainsi que les autres composants nécessaires au processus de déplacement sont nitrurés au plasma et que les éléments de guidage axial ( 4) sont revêtus de céramique. 2 Pompe selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la surface de roulement d'anneau d'étanchéité ( 10) de l'arbre d'entraînement ( 8) est revêtue de céramique. 3 Pompe selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée par le fait que les tourillons ( 7) sont revêtus de céramique. 4 Pompe selon la revendication 1, caractérisée par le fait que dans les éléments de guidage radial ( 4) est inséré au moins un coussinet ( 19) formé d'un matériau stra- tifié, de préférence à base d'acier et de matière synthéti- que.