Brevet FR2608223A1 — publié le 19880617

La présente invention concerne une pompe:à pistons axiaux pour la circulation d'un fluide, et d'un liquide en particulier, avec un élément de nutation qu'un moteur fait tourner et qui déplace un piston refouleur au moins dans un cylindre de piston. Une telle pompe à pistons axiaux est par exemple connue par la demande inter- nationale WO 84/00403. Dans la pompe à pistons axiaux représentée dans ce document, un élément d'entraînement monté sur un arbre d'en- traînement parallèle aux axes de piston et effectuant un mouvement de nutation introduit plusieurs pistons répartis suivant un arc de cercle dans des alésages cylindriques et les rappelle avec charge par ressort. Un fluide à transporter est aspiré par levage d'une soupape par rapport à son siège lors du recul du piston; pendant le mouvement inverse du piston, la soupape est toutefois fermée et le fluide à transporter est refoulé par une autre soupape. De telles canalisations équipées de soupapes ne conviennent pas pour le trans- port d'un liquide à viscosité élevée, jusqu'à 1500 mm2/s par exemple. Dans le cas de liquides présentant cette viscosité, les sièges de soupape ne peuvent pas être fermés assez vite, de sorte que le débit présente des perturbations notables. Les pompes à pistons axiaux connues présentent en outre l'incon- vénient d'être bruyantes. Les pompes à pistons axiaux connues sont généralement très com- pactes, l'élément de nutation étant le plus souvent solidaire de l'arbre moteur. Il en est de même pour la liaison entre la pompe ou le corps de pompe et la carcasse du moteur. Une usure de certaines pièces, telles que l'élément de nutation, rend l'ensemble du disposi- tif inutilisable. Il est impossible de remplacer des pièces détachées. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, le cylindre de piston est relié à un canal d'aspiration du fluide à transporter par un canal transversal et un cylindre contenant un piston de com- mande. La pompe à pistons axiaux selon l'invention présente l'avan- tage de pouvoir refouler aussi un liquide de viscosité élevée, le rendement volumétrique pouvant certes être un peu limité, mais la fonc- tion demeurant garantie. L'ensemble de la canalisation de circulation ne comporte aucun élément de soupape présentant des difficultés de fonctionnement dans le cas d'un liquide de viscosité élevée. Le refou- lement de la pompe à pistons axiaux selon l'invention est commandé par des soupapes et l'aspiration par un tiroir. Ce dernier est cons- titué par un piston de commande, tandis qu'un simple clapet à bille est prévu comme soupape. Les diverses arêtes de commande franchies par le piston refou- leur et le piston de commande sont essentielles. Après franchisse- ment d'un point mort haut, le piston refouleur crée une dépression dans une chambre de pression située entre le canal transversal et le clapet à bille. Lors du passage de la chambre de pression au canal transversal, le piston refouleur franchit une arête de commande par laquelle la dépression produite dans la chambre de pression se trans- met dans le canal transversal et le canal d'aspiration, ce dernier étant ouvert par le piston de commande. Pendant le mouvement en sens inverse, le piston de commande ferme d'abord le canal d'aspiration avec franchissement d'une seconde arête de commande, puis le travail du piston refouleur commence. Un faible gradient de croissance de la pression est ainsi obtenu dans le réseau de canaux, ce qui réduit le bruit. Cette arête de commande est franchie pendant le déplacement du piston refouleur. Le volume nuisible situé derrière le piston refnuleur est ainsi réduit. Il est par suite possible de comprimer d'éventuelles bulles d'air de façon qu'elles puissent s'échapper par le clapet de sortie réalisé sous forme de clapet à bille. Les pompes commandées par fentes d'aspira- tion sont un contre-exemple en ce qui concerne le niveau sonore. Une telle pompe à pistons axiaux tient ainsi compte du désir de transporter des liquides de viscosité élevée et réalise ce transport d'une façon aussi silencieuse que possible. L'objectif de manipulation plus facile et de remplacement pos- siblp de pièces détachées de la pompes à pistons axiaux est atteint en particulier quand l'élément de nutation et le piston refouleur se trouvent dans un barillet entouré par un corps de pompe. Afin de réduire le bruit, des éléments élastiques sont disposés entre le barillet et le corps de pompe. Le barillet est ainsi monté dans le corps de pompe avec découplage des bruits solidiens. Toute la zone de fonctionnement sous pression demeure par contre dans le barillet de la pompe; le corps de pompe même ne doit pas supporter de pres- sion et peut donc être réalisé en matière plastique, ce qui contribue de nouveau à l'affaiblissement du bruit et présente en outre des avantages économiques. Selon une autre caractéristique de l'invention, le corps de pompe présente le raccord, des éléments élastiques de palier disposés de part et d'autre du raccord formant une chambre annulaire. Cette dernière est alors reliée par des perforations du barillet à une gorge annulaire par laquelle le fluide à transporter est dirigé vers le pis- ton refouleur, le cas échéant par l'intermédiaire d'un autre canal. Un couvercle maintient simplement l'ensemble du barillet axiale- ment et radialement. Le couvercle est relié au corps de pompe. Selon une autre caractéristique de l'invention, un clapet d'en- trée commandé par un tiroir est réalisé sous forme d'un clapet à bille. Ce dernier est avantageusement disposé à cSté d'un piston refouleur dans le barillet de pompe. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'élément de nutation est constitué par un roulement rigide à billes, les pistons refouleur et de commande glissant sur la bague extérieure. Il s'agit d'une solution économique, car les roulements rigides à billes sont produits en série. Selon une autre caractéristique de l'invention, les pistons sont maintenus en contact avec l'élément de nutation, c'est-à-dire sont rappelés par une rondelle de pression montée sur ressort. La liaison entre l'arbre de sortie du moteur et l'élément de nutation ou le bout d'arbre portant l'élément de nutation est assurée par un six-pans arrondi pénétrant d'une part dans l'arbre de sortie, d'autre part dans le bout d'arbre. Ce six-pans présente l'avantage de permettre dans une certaine mesure des degrés de liberté axiale et radiale, et par suite une compensation des erreurs d'alignement du moteur et du barillet de pompe. Il est en outre très facile de sortir le barillet du corps de pompe, en cas d'usure de l'élément de nutation par exemple, et de le remplacer. Le corps de pompe est selon l'invention réalisé en matière plas- tique pour réduire le bruit, tandis que la carcasse du moteur est en métal; par suite des coefficients de dilatation thermique diffé- rents, des contraintes peuvent donc apparaître entre le corps de pompe et la carcasse du moteur pendant le fonctionnement de la pompe à pistons axiaux, quand la surface d'appui de la carcasse et du corps d'une part et d'étriers s'appliquant sur une t6le d- maintien d'autre part ne se situent pas dans un plan. Il est donc prévu de solidariser la carcasse du moteur avec le corps de pompe, le point de liaison se situant sur une droite perpendiculaire à l'axe de la pompe; ce résultat étant obtenu par des étriers fixés sur la carcasse et se plaçant derrière une t8le de maintien fixée sur le corps de pompe. Ces étriers produisent une prétension qui compense l'éventuelle dilatation thermique différente. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous d'exem- ples de réalisation et des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une coupe longitudinale partielle d'une pompe à pistons axiaux selon l'invention; la figure 2 est une coupe longitudinale à plus grande échelle d'un barillet de pompe; la figure 3 représente le déroulement du schéma de principe de la commande de la pompe à pistons axiaux selon figure 1; la figure 4 est une coupe longitudinale partielle à plus grande échelle d'un autre exemple de réalisation d'une pompe à pistons axiaux, dans le domaine de transition entre le moteur et la pompe; la figure 5 est une élévation extérieure de la figure 4; la figure 6 est une élévation latérale d'un élément d'accouplement du moteur et du barillet de pompe; et la figure 7 est le plan d'un ressort de pression représenté à plus grande échelle. Une pompe à pistons axiaux est constituée selon la figure 1 par un moteur 1 relié à un corps de pompe 2 dans lequel est logé un barillet 3. Un bout d'arbre 4 du barillet 3 de pompe est disposé en regard d'un arbre de sortie 5 du moteur 1 de façon qu'un trou bor- gne 6 de l'arbre de sortie 5 soit aligné avec un alésage 7 du bout d'arbre 4 sur un axe de rotation A. Un élément de liaison 8 repré- senté en détail à la figure 6 pénètre d'une part dans le trou borgne 6 et d'autre part dans l'alésage 7, et accouple l'arbre de sortie 5 au bout d'arbre 4. Le barillet 3 prend appui sur le corps 2 de pompe par des élé- ments élastiques. Un bourrelet annulaire 9 de section sensiblement carrée est prévu d'un côté d'un raccord 10 dans le corps 2 de pompe. Un autre élément élastique de support est constitué par un anneau de caoutchouc 11 disposé de l'autre côté du raccord 10. Un autre anneau de caoutchouc 12 assure l'étanchéité vers l'extérieur. Les anneaux de caoutchouc 11 et 12 enserrent une collerette annulaire 13 formée sur la tête 14 du barillet 3 de pompe. Le maintien axial et radial du barillet de pompe est assuré par un couvercle 15 encliqueté dans une dépouille 16 du corps 2 de pompe. L'anneau de caoutchouc i2 est disposé entre le couvercle 15 et la collerette annulaire 13. Le bourrelet annulaire 9 de section carrée et l'anneau de caou- tchouc 11 forment une chambre annulaire 17 fermée entre le corps 2 et le barillet 3 de pompe; cette chambre est reliée d'une part à l'alésage intérieur 18 du raccord 10 et d'autre part à une gorge annulaire 20 de la partie 22 du barillet par des perforations d'une coque extérieure 21 du barillet 3. La partie 22 du barillet contient des pistons de commande et refouleurs pour le fluide à transporter, seuls les pistons refou- leurs 24 étant représentés sur les figures 1 et 2. Les pistons de commande correspondants, reliés aux pistons refouleurs 24, sont déca- lés de 90 dans la partie 22 du barillet. La liaison entre piston de commande 25 et piston refouleur 24 est représentée à la figure 3. Les deux pistons 25 et 24 coulissent dans des cylindres 30 ou 31 parallèles dans la partie 22 du barillet. Le cylindre 30 du piston de commande 25 coupe alors un canal d'aspiration 26 radial et un canal transversal 28 coupé par le cylindre 31 de piston. Le canal d'aspiration 26 se raccorde par ailleurs à la gorge annulaire 20, tandis que le canal transversal 28 est obturé vers l'extérieur par un bouchon 29: Alors que le cylindre 31 présente un diamètre égal à celui du piston refouleur 24, le piston de commande comporte une partie tiroir a, dont le diamètre est égal à celui du cylindre 30, mais qui sert uniquement à obturer le canal d'aspiration 26 et produit un tiroir de commande compensé en pression. Cette partie tiroir 25a est reliée à une tête de piston 25b par un axe 27 de diamètre inférieur à celui du cylindre 30 de piston. Le cylindre 31 de piston coupe le canal transversal 28, puis se prolonge dans une chambre de pression 32 obturée par un clapet à bille 33. La bille 34 et le ressort 35 se trouvent dans un corps 36 logé selon figure 1 dans un trou borgne 37 de la tête 14. Un canal incliné 38 est dérivé sur ce clapet à bille 33, en direction de l'axe de rotation A, et débouche dans une chambre axiale 40 qui se termine par une sortie 41 du fluide. La chambre axiale 40 est équipée d'éléments de soupape non représentés, tels qu'une soupape de vidange du fluide après la mise hors service de la pompe à pistons axiaux ou une soupape de sareté. Ces pièces ne relèvent toutefois pas du principe de l'invention dans le cas considéré et sont donc négligées ici. Le mouvement axial des pistons de commande et refouleur 24, 25 est produit par un élément de nutation 42, constitué par deux roule- ments rigides à billes montés sur le bout d'arbre 4 excentrique. La bague extérieure 43 du roulement à billes constitue la surface d'appui des pistons 24 ou 25. En regard de cette bague extérieure 43, les pistons 24 ou 25 présentent un poussoir 44 dont le col 45 est engagé dans une fourchette 46. La fourchette 46 fait partie selon la figure 7 d'une rondelle fourchue 47, une ouverture intérieure 48 contenant la chambre axiale 40 en position de service. Une rondelle fourchue 47 étant prévue tant pour les pistons refouleurs 24 que pour les pistons de commande 25, deux rondelles de ce type superpo- sées sont représentées sur les figures 1 et 2. Un ressort 50 prend appui entre ces rondelles fourchues 47 et un épaulement 49 formé par la chambre axiale 40. Interagissant avec les rondelles fourchues 47, ce ressort 50 maintient les pistons 24 ou 25 ou leurs poussoirs 44 en contact avec la bague extérieure 43 pendant la rotation de l'élé- ment de nutation 42. Le bout d'arbre 44 est par ailleurs monté dans un autre roule- ment à billes 51. L'élément de liaison 8 représenté à la figure 6-assure l'accou- plement entre l'arbre de sortie 5 ou arbre rotorique du moteur 1 et le bout d'arbre 4 excentrique. Il est essentiellement constitué par deux sixpans 39 arrondis, disposés de part et d'autre d'un disque central 52 et dont un pénètre avec sûreté de forme dans le trou borgne 6 de l'arbre de sortie 5 et l'autre dans l'alésage 7 du bout d'arbre 4. Cette liaison par sûreté de forme présente toutefois des degrés de liberté axiale et radiale, qui permettent de compenser des erreurs d'alignement du barillet 3 de pompe et du moteur 1. La fixation entre la carcasse 53 du moteur 1 et le corps 2 de la pompe est réalisée selon les figures 4 et 5. Une t5le de maintien 54 est fixée par des vis 55 sur la face frontale du corps 2 de pompe et forme avec des empreintes frontales du corps 2 une coque 56 pour le logement d'un roulement 57 de l'arbre de sortie 5. Le bord exté- rieur 58 de la tale de maintien 54 est relevé pour former une colle- rette périphérique, de sorte que l'ensemble de la tSle de maintien présente une section en U. Ce bord extérieur 58 est inséré dans la carcasse 53 jusqu'à ce que les bords frontaux du corps 2 de la pompe et de la carcasse 53 soient alignés. Pour assurer la liaison du corps 2 et de la carcasse 53, cette dernière présente des étriers 59 qui, lors de l'assemblage des deux parties, sont repliés par un biseau 60 de la tSle de maintien 54 dans une échancrure 61 du corps 2 de la pompe. Une certaine précon- trainte est ainsi obtenue entre le corps et la carcasse à relier. Un démontage de la liaison entre la carcasse 53 et le corps 2 de la pompe est ainsi évité, du fait par exemple de coefficients de dila- tation thermique différents lors d'une sollicitation thermique. Il est essentiel que la surface d'appui des étriers 59 et de la t8le de maintien 54 ainsi que la surface d'appui de la carcasse 53 et du corps 2 se situent dans un plan D perpendiculaire à l'axe de la pompe ou axe de rotation A. Cet avantage est particulièrement sen- sible quand selon l'invention le corps 2 de pompe est réalisé en matière plastique et la carcasse 53 en acier par exemple. Le fonctionnement de cette pompe à pistons axiaux selon l'in- vention est décrit ci-dessous à l'aide de la figure 3. La partie supérieure gauche de la figure 3 représente la posi- tion I dans laquelle le piston de commande 25 se trouve au point mort bas. Le canal d'aspiration 26 est ouvert. Le piston refouleur 24 se trouve entre ses points morts haut et bas et se déplace vers son point mort bas. Immédiatement avant et après cette position I, le fluide à transporter est aspiré par le canal 26 car le volume augmente progressivement dans le réseau de canaux dont la sortie est obturée soit par le piston refouleur 24, soit par le clapet à bille 33. La position suivante II atteinte par le réseau est représenté à la partie inférieure gauche de la figure 3. Le piston de commande atteint son point mort haut, obturant ainsi l'arête de commande B et par suite le canal d'aspiration 26 dans la position II représentée. Le piston refouleur 24 se trouve par contre à son point mort bas. Une poursuite de la rotation de l'élément de nutation 42 comprime le fluide enfermé. Dès que la compression dépasse la contre-pression du clapet à bille 33, le fluide est refoulé à travers ce clapet à bille, pénètre dans le canal incliné 38, la chambre axiale 40, puis atteint la sortie 41. Par suite de ces cycles de mouvement, la pres- sion augmente lentement selon une fonction sinusoïdale car la vitesse du piston refouleur est sensiblement nulle au voisinage du point mort bas. Dans la position III représentée à la partie supérieure droite de la figure 3, le piston de commande 25 a atteint son point mort haut, le canal d'aspiration 26 demeurant fermé. Le piston refouleur 24 se déplace aussi vers le point mort haut et atteint ainsi l'arête de commande C sur laquelle la chambre de pression 32 située au- dessous du clapet à bille 33 est fermée. Lorsque de l'air par exemple a été aspiré avec un liquide, il peut être comprimé dans la chambre de pression 32 puis refoulé. La position IV suivante est représentée à la partie inférieure droite de la figure 3. Le piston de commande 25 se déplace de nou- veau vers son point mort bas et vient d'atteindre l'arête de com- mande B du canal d'aspiration 26. Le piston refouleur se trouve à son point mort haut et se déplace de nouveau vers son point mort bas. Le recul du piston refouleur 24 crée dans la chambre de pres- sion 32 au-dessous du clapet à bille 33 une dépression qui, après le franchissement de l'arête de commande C par le piston refouleur 24, produit une aspiration du fluide à transporter. Le cycle recom- mence ainsi à l'origine. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au principe et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Pompe à pistons axiaux pour la circulation d'un fluide, et d'un liquide en particulier, avec un élément de nutation qu'un moteur fait tourner et qui déplace un piston refouleur au moins dans un cylindre de piston, ladite pompe étant caractérisée en ce que le cylindre (31) de piston est relié à un canal (26) d'aspiration du fluide à transporter par un canal transversal (28) et un cylindre (30) contenant un piston de commande (25). 2. Pompe à pistons axiaux selon la revendication 1, caractérisée en ce que le cylindre (31) forme, après la liaison avec le canal transversal (28), une chambre de pression (32) équipée d'une soupape de sortie, constituée par un clapet à bille (33) par exemple. 3. Pompe à pistons axiaux selon la revendication 2, caractérisée en ce que le piston refouleur (24), après franchissement d'un point mort haut (PMH), établit dans la chambre de pression (32) une dépression qui produit une aspiration du fluide à transporter après le franchissement d'une arête de commande (C) par le piston refouleur (24) et par suite une ouverture de la chambre de pression (32) sur le canal transversal (28), le piston de commande (25) ayant à cet instant dépassé une arête de commande (B) et ouvert le canal d'aspiration (26). 4. Pompe à pistons axiaux selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'après le franchissement d'un point mort bas (PMB), le piston de commande (25) revient sur l'arête de commande (B) et ferme le canal d'aspiration (26), le piston refouleur (24) se trouvant à ce moment à son point mort bas (PMB). 5. Pompe à pistons axiaux selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le piston refouleur (24) et le piston de commande (25) se déplacent sur la bague extérieure (43) d'un roulement rigide à billes réalisé en élément de nutation (42). 6. Pompe à pistons axiaux selon la revendication 5, caractérisée en ce que les pistons (24, 25) sont maintenus en contact avec l'élément de nutation (42) par au moins une rondelle Il de pression (47) montée sur ressort. 7. Pompe à pistons axiaux selon la revendication 6, caractérisée en ce que les pistons refouleur et de commande (24, ) en regard sont reliés par des rondelles de pression (47) présentant des fourchettes (46). 8. Pompe à pistons axiaux selon l'une quelconque des revendications I à 7, caractérisée en ce qu'un arbre de sortie (5) du moteur (1) est accouplé à un bout d'arbre (4) portant l'élément de nutation (42) par un élément de liaison (8) dont un six-pans bombé (39) pénètre d'un côté dans un trou borgne (6) de l'arbre de sortie (5) et de l'autre côté dans un alésage (7) du bout d'arbre (4). 9. Pompe à pistons axiaux selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisée en ce que le corps (2) de pompe est solidaire de la carcasse (53) du moteur (1). 10. Pompe à pistons axiaux selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'une tôle de maintien (54) est fixée sur la face frontale du corps (2) de pompe et comprend un bord extérieur (58) qui se place sous le bord intérieur de la carcasse (53) et présente un biseau (60) sur lequel viennent s'encliqueter des étriers (59) partant de la carcasse (53). 11. Pompe à pistons axiaux selon la revendication 10, caractérisée en ce que la tôle de maintien (54) forme avec une empreinte du corps, du côté opposé au bord extérieur (58), une coque (56) pour le logement d'un roulement (57) de l'arbre de sortie (5).