Brevet FR2681105A1 — publié le 19930312

i Dans les pompes classiques, en particulier de distribution d'huile de lubrifi- cation, le débit croît d'une manière directement proportionnelle au nombre de tours de l'entraînement, donc du moteur à combustion dans le cas o il en est prévu un. On a donc: V' (volume/minute) = q (volume/tour) N (nombre de tours/minute). En revanche, le débit demandé, par exemple le débit d'huile nécessaire pour la lubrification des paliers et pour la dissipation de chaleur (par le circuit d'huile de lubrification) est souvent constant, ou au plus légèrement croissant, en fonction du nombre de tours Il résulte de ce manque de correspondance entre le débit (flux existant d'huile de lubrification) et le besoin effectif que, lorsque le nombre de tours du moteur augmente, un multiple du débit nécessaire (flux d'huile) est évacué par la valve de surpression et est transformé inutilement en énergie thermique La consommation d'énergie de la pompe est donc de plusieurs fois trop élevée. Dans le cadre des multiples dispositions individuelles qui ont déjà été mises en oeuvre sur un moteur à combustion en vue d'abaisser sa consommation, l'adaptation du débit de la pompe d'huile de lubrification au besoin constitue une autre disposition offrant encore un potentiel considérable de gain de puissance. C'est pourquoi l'invention a pour but, dans une pompe à engrenage, de ne pas laisser croître le débit du fluide refoulé d'une manière pratiquement linéaire par rapport au nombre de tours, à la différence du refoulement connu, mais de prévoir pour le débit, à l'aide de moyens économiques, une valeur limite dont le débit se rapproche lorsque le nombre de tours augmente. A cet effet, l'invention a pour objet une pompe à engrenage, caractérisée en ce qu'en vue de produire un débit ne dépendant pas d'une manière linéaire du nombre de tours, il est prévu, sur le côté d'aspiration, un étranglement qui limite le débit de la cellule de refoulement en fonction du nombre de tours de l'engrenage. L'invention constitue ainsi un moyen économique permettant d'utiliser ce qu'il est convenu d'appeler l'étranglement d'aspiration, qui n'a pas encore été uti- lisé dans le cas des types habituels de pompes à huile, telles que les pompes à engrenage à engrènement extérieur, à engrenage à engrènement intérieur et à piston rotatif Grâce à la proposition conforme à l'invention, faite pour des pompes à engrenage, notamment dans l'application à des systèmes pour huile de lubrifi- cation, on dispose d'une réalisation appropriée qui assure une adaptation du débit au besoin, ainsi que cela est représenté à la figure 1 En supposant une pression initiale identique d'environ 5 bars, la consommation d'énergie de la pompe est proportionnelle à la caractéristique de refoulement, de sorte qu'avec la pompe à étranglement d'aspiration, on peut atteindre une réduction de l'énergie consommée de 0,5 k W et plus. Dans la mise en oeuvre pratique du concept conforme à l'invention, on obtient une simplification importante en prévoyant que la limitation du débit est assurée par un temps de remplissage écourté des cellules de refoulement L'idée de base de cette combinaison de particularités consiste à ne permettre le remplis- sage des cellules de la pompe lors de la course d'aspiration que pendant un inter- valle de temps relativement bref au passage par l'emplacement d'étranglement, de sorte que, pour des vitesses de rotation plus élevées de la pompe, on ne dispose pour le remplissage que d'un intervalle de temps d'autant plus court qui ne permet alors qu'un remplissage partiel La raison en est que, du fait du temps de remplis- sage écourté et du fait de la résistance à l'écoulement des conduits d'admission, il ne peut plus s'écouler dans les cellules de refoulement qu'un débit réduit du fluide à refouler, notamment de l'huile de lubrification. Une réalisation structurelle simple, permettant la mise en oeuvre des particu- larités indiquées au début du paragraphe précédent, s'obtient en prévoyant que, dans le cas d'un écoulement radial et/ou latéral d'entrée, la lumière rétrécie d'entrée servant de lumière de commande du côté d'aspiration est décalée avec un certain retard dans le temps en ce qui concerne son point d'ouverture dans le temps De ce fait, une partie de l'étendue connue de la lumière de commande du côté d'admission est en principe fermée Cela a de préférence lieu d'une façon telle que le remplissage de la cellule à remplir ne commence qu'en un point plus tardif dans le temps qu'habituellement De ce fait, suivant la conformation choisie, l'écoulement d'entrée peut se produire aussi bien radialement que latéralement. Pour une pompe à engrenage à engrènement extérieur, il est avantageux de prévoir que l'étranglement est constitué par un conduit étroit d'aspiration (voir aussi figure 3). En ce qui concerne les pompes à piston rotatif, il se présente, pour les lumières d'admission, les dimensions ressortant approximativement de la figure 5. Afin d'éviter des reflux, accompagnés d'augmentations brusques de pression et d'un accroissement de bruit, dans le conduit de refoulement dans la zone de fonctionnement de l'étranglement d'aspiration à l'entrée dans les cellules qui ne sont remplies que partiellement de fluide à refouler (huile), il est prévu une valve antiretour dans le circuit de refoulement, cette valve antiretour étant disposée dans le conduit de refoulement de la pompe le plus près possible de l'emplacement de l'entrée des cellules, ainsi que cela est par exemple représenté à la figure 6 en ce qui concerne une pompe à engrenage à engrènement extérieur. Pour de telles pompes, suivant un développement de l'invention, il est avantageux d'utiliser le fait que la ou les valves antiretour sont montées dans le boîtier de la pompe à engrenage à engrènement extérieur/pompe à piston rotatif. La valve antiretour sert régulièrement à l'établissement de la pression dans les cellules partiellement remplies en amont de l'entrée dans le conduit de refou- lement et empêche des reflux et donc les pertes de puissance et les bruits qui y sont liés Les valves antiretour nécessaires à cet effet doivent fonctionner à une fréquence assez élevée (produit du nombre de tours et du nombre de cellules), ce qui peut toutefois être maîtrisé à l'aide de formes structurelles connues en raison des débits transmis qui ne sont que faibles et du faible niveau de pression. Dans le cas de l'utilisation d'une pompe à piston rotatif, il arrive qu'au cours de la rotation du rotor, deux ou plusieurs cellules transmettant la pression soient par moments raccordées à la lumière de refoulement réalisée d'une manière classique Lorsque, dans le cas o, suivant la particularité de l'invention indiquée plus haut, une valve antiretour est prévue dans le circuit de refoulement, la lumière de refoulement indiquée ci-dessus ne communique que par l'intermédiaire d'une telle valve antiretour avec le conduit de refoulement, il peut déjà se produire un équilibre de pression et un reflux correspondant entre les cellules qui commu- niquent en même temps par l'intermédiaire de la lumière de refoulement Cela peut d'une part être évité en rendant convenablement plus petite la lumière de sortie, de façon telle que deux cellules ne communiquent pas en même temps avec cette lumière de sortie Une autre possibilité peut consister à diviser en deux zones la lumière de refoulement située du côté de sortie, en prévoyant que, lorsqu'il s'agit d'une pompe à piston rotatif, une lumière supplémentaire, plus petite, de précom- pression est ménagée dans la zone de précompression de la cellule de refou- lement, les deux zones dans lesquelles la lumière de refoulement est divisée ayant une section transversale plus petite dans la zone d'entrée et étant prévues à une distance déterminée l'une de l'autre Dans le cas d'une telle réalisation, il peut être prévu qu'une valve antiretour soit disposée entre la lumière de sortie située dans la zone de précompression et le circuit de refoulement, aucune valve antiretour n'étant prévue, suivant le cas, dans le trajet faisant communiquer la sortie de refou- lement ( 19) et le conduit de refoulement (voir figure 7). La dernière particularité mentionnée ci-dessus permet qu'à l'arrivée de la cellule partiellement remplie d'abord devant la plus petite lumière située dans la zone de précompression (qui communique avec le conduit de refoulement par l'intermédiaire de la valve antiretour), l'établissement de la pression a lieu par compression du fait de la réduction du volume de la cellule et non pas par reflux à partir du conduit de refoulement ou de la cellule précédente Ce n'est que lorsque la cellule a atteint un niveau plus élevé de pression qu'a lieu le passage devant la lumière de sortie plus grande et la dernière adaptation à la pression de service. L'agencement géométrique des deux lumières de refoulement et leur écar- tement se présentent comme un compromis entre le nombre de tours optimal, la pression de service et la taille de la pompe, ainsi que son agencement La figure 7 contient des valeurs de référence pour une réalisation possible. Si on veut maintenir la plus constante possible la pression de refoulement de la pompe comportant un étranglement d'aspiration, il est avantageux qu'il soit prévu un étranglement d'aspiration réglé par la pression de refoulement Il se présente de ce fait, en particulier en ce qui concerne les pompes à huile de lubrifi- cation comportant un étranglement d'aspiration, la possibilité supplémentaire de maintenir constante la pression de lubrification du moteur, dans des limites plus étroites que cela n'était courant jusqu'à présent Il est connu, d'une manière géné- rale, que le débit diminue, et la pression de lubrification s'abaisse, du fait de la température plus élevée, de la faible viscosité de l'huile et de l'usure de la pompe et du moteur On peut s'opposer à cet effet en réalisant l'étranglement situé du côté de l'admission de la pompe avec une section transversale variable, sur laquelle influe la pression du côté du refoulement Le fonctionnement de l'étranglement réglable doit donc être tel que, lorsque la pression de lubrification diminue, la section transversale de l'étranglement augmente automatiquement, de sorte qu'il se présente un débit plus grand, dans certaines limites, et donc aussi une pression plus élevée de lubrification, au-dessus du coude de la caractéristique de la figure 1. Le principe de fonctionnement de ce circuit de régulation qui est simple est illustré à l'aide d'une pompe à engrenage à engrènement extérieur (figure 8) Il peut être prévu qu'un élément coulissant, commandé par la pression du côté du refoulement, soit inséré dans l'orifice d'entrée, cet élément coulissant de commande étant disposé transversalement à l'axe du conduit d'aspiration de la pompe et étant maintenu par un ressort dans une position extrême de façon telle que le conduit d'aspiration soit totalement ouvert Sur sa face frontale située à l'opposé du ressort, cet élément coulissant de commande est soumis à la pression régnant à la sortie de la pompe Avec un dimensionnement convenable des éléments constitutifs, il se trouve qu'au-dessus d'un seuil de pression, l'élément coulissant est déplacé à l'encontre de la force du ressort lorsque la pression croît, d'une façon telle que la section transversale d'aspiration est réduite La réduction s'effectue jusqu'à une butée préfixée qui est due à l'agencement des éléments constitutifs et à laquelle correspond une section transversale minimale Avec une pression de la pompe qui chute éventuellement, l'élément coulissant est repoussé par la force du ressort dans le sens de l'ouverture de la section transversale d'aspiration, une ouverture maximale pouvant correspondre à une réalisation de la pompe sans étranglement Grâce à ces moyens hydrauliques simples, agencés de façon à pouvoir faire partie intégrante de la pompe, la pression de lubrification du système peut donc être maintenue constante dans des limites déterminées, d'une manière indépendante de la vitesse de rotation du moteur, de la température de l'huile et de sa viscosité, ainsi que de l'état d'usure. Plusieurs exemples de réalisation de l'invention sont exposés ci-après en regard des dessins On voit: à la figure 1, un graphe qui illustre le fonctionnement de la pompe à engre- nage conforme à l'invention, à la figure 2, une vue en coupe d'une pompe à engrenage à engrènement extérieur comportant un orifice d'aspiration classique, à la figure 3, une pompe à engrenage du type de la figure 2 comportant un étranglement d'aspiration conforme à l'invention, à la figure 4, une pompe à piston rotatif à lumière d'aspiration classique, à la figure 5, une pompe du type de la figure 4 comportant une lumière d'aspiration réduite permettant l'étranglement d'aspiration conforme à l'invention, à la figure 6, une pompe du type de la figure 3 comportant une valve anti- retour dans le conduit de refoulement, à la figure 7, une pompe à piston rotatif du type de la figure 5 comportant une lumière de refoulement divisée qui remplace la lumière de refoulement de la figure et, à la figure 8, une pompe à engrenage du type de la figure 6 comportant un étranglement d'aspiration soumis à une régulation. La figure 1 représente, par un graphe, la dépendance du débit de la pompe V', en litres/min, en fonction du nombre de tours N du moteur, en tours/min, à la fois pour une pompe à huile de lubrification classique (courbe K) et pour une pompe à huile de lubrification conforme à l'invention (courbe S) Dans le cas de la pompe à huile de lubrification classique, il se présente un tracé proportionnel entre le débit et le nombre de tours de la pompe, tandis que, dans le cas d'un étranglement de l'aspiration (courbe S), le débit n'augmente que faiblement, ou reste même constant, pour des vitesses élevées de rotation. La figure 2 représente la structure classique d'une pompe à engrenage à engrènement extérieur dont le fonctionnement est exposé en détail dans Findeisen, Olhydraulik, 3 ème édition, éditions Springer, pages 49 et suivante. Cette pompe à engrenage connue comporte un orifice d'entrée 1 et un orifice de sortie 2 qui, par leurs dimensions, donnent l'assurance que les différentes cellules de refoulement sont encore remplies de fluide à refouler même lorsque les roues dentées 3 et 4 tournent avec le nombre de tours N le plus élevé. A la figure 3, la pompe à engrenage à engrènement extérieur de la figure 2 est modifiée, conformément à l'invention, de façon telle que l'orifice d'entrée 5 est considérablement rétréci vis-à-vis de l'orifice d'entrée 1 Le rétrécissement est prévu à un point tel que ce n'est toujours qu'une seule cellule à remplir qui est alimentée en fluide Le coeur de l'invention réside dans le fait que, pour des vitesses élevées de rotation des engrenages 3 et 4, pendant le temps de remplis- sage qui est disponible, la cellule considérée ne peut plus être totalement remplie du fait de la résistance à l'écoulement, de sorte que lorsque les vitesses de rotation continuent à augmenter, le débit ne croît encore que faiblement. La figure 4 représente une pompe à piston rotatif comportant une lumière d'aspiration classique Le fonctionnement d'une telle pompe est par exemple décrit en détail dans le manuel de Krauskopf "Bauelemente der Olhydraulik" (éléments structurels pour la technique hydraulique des huiles), partie 1, pages 61 et suivantes La pompe à piston rotatif connue de la figure 4 comporte un disque stator 6 à denture intérieure et un disque rotor 7 à denture extérieure qui est entraîné par un arbre non représenté Le disque stator comporte une dent de plus que le disque rotor, par lequel il est entraîné d'une manière comparable à un démultiplicateur Il est important pour l'invention que les pompes à piston rotatif connues possèdent une lumière d'entrée 8 ménagée dans la paroi latérale qui soit relativement grande, cette lumière d'entrée étant représentée en trait interrompu à la figure 4 La taille de cette lumière suffit pour remplir les cellules même pour la vitesse de rotation la plus élevée et donc pour faire croître le débit d'une manière linéaire avec le nombre de tours du disque rotor 7. A la figure 5, conformément à l'invention, la lumière d'entrée 9 représentée en trait interrompu diffère de ce qui précède par le fait qu'elle est d'une taille consi- dérablement réduite par rapport à la réalisation connue Dans la pratique, cela signifie que le remplissage de la cellule concernée n'a lieu que d'une manière retardée dans le temps Dans le cas présent, alors que le temps de remplissage écourté qui est disponible suffit sans difficulté au remplissage dans le cas de faibles vitesses de rotation n, la résistance à l'écoulement dans les conduites empêche un tel remplissage complet dans le cas de vitesses élevées de rotation, étant donné que le temps de remplissage est devenu si court que l'écoulement ne suffit plus au remplissage complet Il en résulte que, pour des vitesses élevées de rotation, le débit n'augmente encore que faiblement Bien qu'en soi, une lumière d'entrée 9 de plus petite taille entraîne déjà une limitation du débit, on agence toutefois de préférence cette lumière d'entrée 9 de plus petite taille de façon telle qu'elle ne permette que le plus tard possible un remplissage de la cellule concernée. A l'aide des différentes cellules, la pompe à engrenage refoule toujours à la sortie une quantité déterminée du fluide à refouler Si, du fait de la vitesse élevée de rotation n, la cellule concernée n'est plus totalement remplie, le débit refoulé suffit en soi du fait de la vitesse de rotation La pression relativement faible et le remplissage seulement partiel de la cellule peuvent toutefois provoquer un bref reflux du conduit de sortie 10 (voir figure 6) vers la cavité de cellule 11, ce qui se manifeste par des bruits désagréables Afin d'empêcher cet effet, il est monté une valve antiretour 12 dans laquelle un ressort 13 soumet par exemple une bille de valve 14 à une précontrainte telle que le chemin vers le conduit de sortie 10 n'est ouvert que lorsque la pression dans la cavité de refoulement 15 est supérieure à celle régnant dans le conduit de refoulement 13. Ainsi que la figure 6 le montre, la valve antiretour 12 peut être montée dans le boîtier 16 de la pompe à engrenage de façon à en faire partie intégrante. La figure 7 représente, suivant une représentation en partie symbolique, plusieurs possibilités pour réduire la formation de bruits dans une pompe à piston 1 o rotatif réalisée conformément à l'invention La pompe à piston rotatif, correspondant à la figure 5, comporte encore une lumière d'entrée 9 rétrécie, ainsi que cela est déjà représenté à la figure 5 Toutefois, à la différence de cette dernière, la lumière de sortie 18 représentée à la figure 5 est divisée en deux zones de sortie 19, 20, à savoir une sortie de précompression 20 et une sortie de refoulement 19 et cette sortie de refoulement 19 et la sortie de précompression 20 sont reliées l'une et l'autre à une conduite de refoulement 21 La raison de la réduction de taille de la sortie de refoulement 20 réside dans le fait que cette dernière ne communique pas en même temps avec deux cellules de refoulement, circonstance qui pourrait produire un reflux, créant des bruits, de la cellule à pression plus élevée vers la cellule encore moins comprimée Ce cas peut en particulier se produire lorsque l'étanchéité de la sortie de refoulement 19 n'est assurée que vis-à-vis de la conduite de refoulement 21 comportant une première valve antiretour 22 Alors que, normalement, la cellule 23 et la cellule 24 sont l'une et l'autre vidées par l'intermédiaire de la lumière de sortie 18 connue (figure 4), cela n'est plus le cas dans la réalisation de la figure 7 conforme à l'invention, étant donné que, dans ce cas, la cellule de précompression 23 est vidée par la sortie de précompression 20 et la cellule de refoulement 24 par la sortie de refoulement 19 Un court-circuit de ces deux cellules n'est donc plus possible Les deux valves antiretour 22 et 25 empêchent en outre qu'un équilibre de pression ne se produise entre la conduite de refoulement 21 et les cellules 23, 24 qui ne sont encore que partiellement remplies. Suivant les circonstances, la première valve antiretour 22 peut être omise, étant donné que, dans le cas d'une optimalisation déterminée, la pression dans la cellule 24 est déjà précomprimée à la pression de la conduite de refoulement 21. La figure 8 représente une variante vis-à-vis de la pompe à engrenage à engrènement extérieur des figures 6 et 3 Conformément à cette variante, il est inséré, dans l'orifice d'entrée 5, un élément coulissant 27, soumis à l'action d'un second ressort 26, qui est en mesure de faire varier la résistance de l'orifice d'entrée 5 à l'écoulement Ainsi que cela est indiqué par une ligne d'action 28 indiquée en trait interrompu, il est possible de modifier la position de l'élément coulissant 27 à l'aide de la pression de sortie régnant dans le conduit de sortie 10, et ceci de façon telle que, lorsque la pression croît dans ce conduit de sortie 10, l'élément coulissant se ferme de plus en plus On peut ainsi imaginer le moyen de réaction 28 comme étant un conduit de refoulement qui agit sur un piston corres- pondant de l'élément coulissant 27 Cela permet, en fonction de la pression régnant dans le conduit de sortie 10, de régler l'étranglement existant dans l'orifice d'entrée 5 de façon telle que, pour une pression plus élevée, l'étranglement est renforcé et donc le débit dans les cellules est réduit. Il est possible aussi d'utiliser les pompes conformes à l'invention pour des systèmes de lubrification et de refroidissement de boîtes de vitesses automatiques, de transmissions de puissance et de boîtes de vitesses pour véhicules utilitaires. REVENDICATIONS 1 Pompe à engrenage, caractérisée en ce qu'en vue de produire un débit ne dépendant pas d'une manière linéaire du nombre de tours, il est prévu, sur le côté d'aspiration, un étranglement ( 5, 9) qui limite le débit de la cellule de refou- lement ( 23, 24, 29) en fonction du nombre de tours (n) de l'engrenage ( 3, 4, 6, 7). 2 Pompe à engrenage suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la limitation du débit est assurée par un temps de remplissage écourté des cellules de refoulement ( 23, 24, 29). 3 Pompe à engrenage suivant la revendication 2, caractérisée en ce que, dans le cas d'un écoulement radial et/ou latéral d'entrée, la lumière rétrécie d'entrée ( 9) servant de lumière de commande du côté d'aspiration est décalée avec un certain retard dans le temps en ce qui concerne son point d'ouverture dans le temps. 4 Pompe à engrenage suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'il s'agit d'une pompe à engrenage à engrènement extérieur et l'étranglement est constitué par un conduit étroit d'aspiration ( 5) (figure 3, figure 6, figure 8). Pompe à engrenage suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'il est prévu une valve antiretour ( 12, 22, 25) dans le circuit de refoulement. 6 Pompe à engrenage suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'une valve antiretour est disposée entre la lumière de sortie ( 20) située dans la zone de précompression et le circuit de refoulement ( 21), aucune valve antiretour n'étant prévue, suivant le cas, dans le trajet faisant communiquer la sortie de refoulement ( 19) et le conduit de refoulement ( 21). 7 Pompe à engrenage suivant la revendication 6, caractérisée en ce qu'il s'agit d'une pompe à piston rotatif et en ce qu'une lumière supplémentaire, plus petite, de précompression ( 20) est ménagée dans la zone de précompression de la cellule de refoulement ( 23). 8 Pompe à engrenage suivant la revendication 7, caractérisée en ce que la lumière supplémentaire ( 20) offre une section de passage plusieurs fois plus petite par rapport à la lumière de sortie de refoulement ( 19). 9 Pompe à engrenage suivant l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la ou les valves antiretour ( 12, 22, 25) sont montées dans le boîtier ( 16) de la pompe à engrenage à engrènement extérieur/pompe à piston rotatif (figure 6, figure 7). Pompe à engrenage suivant l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'il est prévu un étranglement d'aspiration ( 27) réglé par la pression de refoulement ( 10) (figure 8). 11 Pompe à engrenage suivant la revendication 10, caractérisée en ce qu'un élément coulissant, commandé par la pression ( 10) régnant du côté de la sortie, est inséré dans l'orifice d'entrée ( 5). 12 Utilisation d'une pompe à engrenage suivant l'une des revendications 1 à 11 en tant que pompe à huile de lubrification pour moteur à combustion et/ou boîte de vitesses pour véhicule.