Brevet FR3060669A1 — publié le 20180622

Pompe à engrenage à plaques et pions de centrage hydrauliques L'invention concerne une pompe à engrenage simple. Ces pompes sont utilisées notamment dans le domaine de l'automobile ou pour les poids lourds à cause de leur capacité à créer des hautes pressions pour des liquides. Ici, le terme pompe à engrenage désigne un système composé de deux roues dentées engrenées servant à la propulsion d'un liquide. Une pompe à engrenage simple est illustrée dans la Fig. 1 et comprend deux roues dentées qui sont aménagées côte à côte dans une cavité ou un corps de pompe qui a une forme de huit. Les roues dentées s'engrènent en tournant en sens opposé l'une par rapport à l'autre. Le corps comprend une entrée et une sortie pour le passage du fluide au droit de la zone d'engrènement des roues dentées. Le fluide se loge entre les dents de chacune des roues et la paroi du corps de la pompe, et ne peut pas revenir entre les deux roues qui entraînent ce fluide en périphérie de la cavité. La pompe à engrenage utilise le profil combiné de deux roues dentées pour transvaser et augmenter la pression du fluide. Le document US6991442 déposé par Soqi Kabushiki Kaisha décrit une pompe à engrenage dont une coupe est illustrée dans la Fig. 2. Les deux roues dentées 37, 38 ayant des axes de rotation parallèles 39, 41 de la pompe à engrenage sont logées dans un corps de pompe ou une cavité 36, qui est reliée à un système hydraulique comprenant un bac à huile 68, un moyen d'alimentation d'huile 35, des canalisations 62, 63, 66, 67, des rainures 64 et 65, et des clapets 69. Le châssis de la pompe à engrenage comprend trois plaques planes en métal 48, 49, 51. Ces plaques sont placées une au dessus de l'autre, avec la plaque intermédiaire 49 au milieu, qui comprend la cavité 36 pour loger la pompe à engrenage. Des vis 52, 33 relient de manière détachable ces trois plaques 48, 49 et 51. De plus, des pions 53 servent de centrage dans des trous d'alignement dans les trois plaques en métal 48, 49, 51 pour permettre un bon alignement des trois plaques en métal 48, 49, 51. Les pions de centrage 53 sont situés dans la zone périphérique de la pièce, dans une zone sèche à l'extérieur du circuit hydraulique. La plaque intermédiaire 49 est usinée afin de former la cavité 36 destinée à la pompe d'engrenage. Les deux autres plaques périphériques 48 et 51 sont placées au- dessous et au-dessus de la plaque intermédiaire 49 logeant la pompe. Le fait que les plaques 48, 49 et 59 soient en métal permet d'obtenir une bonne précision qui assure des performances recherchées en termes de pression du fluide en aval de la pompe. Des rainures et des canalisations pour le système hydraulique sont aussi usinées dans ces trois plaques avant assemblages. De ce fait, un inconvénient lié à cette pompe est que le parcours du fluide passe par des angles sensiblement droits, à 90°, voir les repères 62 et 63, ce qui engendre des pertes de charge interne. Il serait possible de 3060669 2 remédier en partie à ce problème en usinant des rayons ou des congés, mais à des coûts supplémentaires. Un autre inconvénient de la pompe hydraulique décrit dans US6991442 est la localisation excentrée des pions de centrage qui augmente l'encombrement de la pompe 5 à engrenage. Par ailleurs, une réalisation de la chambre hydraulique en plastique, notamment en thermoplastique injecté, qui est un autre mode de réalisation connu, ne permet pas d'obtenir la même précision qu'une pièce en métal et conduit à des performances insuffisantes, ou irrégulières à cause de la dispersion des jeux obtenus en fabrication. 10 On trouve également dans l'état de l'art des pompes avec des composants réalisés en thermoplastique rectifiés de haute précision dimensionnelle, mais ces opérations sont très coûteuses. La présente invention a notamment pour but de résoudre, en tout ou partie, les problèmes mentionnés ci-avant. 15 Dans ce but, l'objet de l'invention est une pompe à engrenage, légère, facile à fabriquer, ayant un coût de fabrication réduit, tout en donnant des performances suffisantes. Une telle pompe à engrenage comporte: - Un engrenage, 20 - Trois plaques métalliques, placées les unes sur les autres, dont une plaque intermédiaire comportant une cavité en forme de huit adaptée pour loger l'engrenage, et deux plaques périphériques ayant pour fonction d'enfermer l'engrenage dans la cavité, - Un circuit pour alimentation fluidique de l'engrenage, 25 - Des moyens de centrage pour aligner les trois plaques les unes au dessus des autres, - Les trois plaques métalliques étant pourvues de trous de centrage dans la direction axiale, adaptés pour recevoir les moyens de centrage, la pompe à engrenage étant caractérisée en ce que : 30 - La plaque intermédiaire est pourvue d'ouvertures permettant ledit circuit d'alimentation fluidique entre les trous de centrage et la cavité en forme de huit, la pompe comprenant aussi: - un premier flasque en matière plastique adapté pour recevoir les trois plaques métalliques et comportant une canalisation pour l'entrée et la sortie du fluide de 35 l'engrenage, - un second flasque en matière plastique comportant les moyens de centrage adaptés pour aligner les trous de centrage dans les trois plaques ces moyens de 3060669 3 centrage étant adaptés pour au moins en partie former ledit circuit fluidique avec la cavité logeant l'engrenage et la canalisation d'entrée et sortie dans le premier flasque, et - des moyens de fixation pour fixer le premier flasque au deuxième flasque afin 5 d'enfermer les trois plaques métalliques. Une telle pompe comporte une chambre hydraulique réalisée avec des tôles métalliques standard, d'épaisseurs calibrées, par exemple en acier inoxydable, laminées à froid, et présentant une classe de précision suffisante pour garantir la performance de mise en pression et maîtriser la dispersion des performances entre les différentes pompes 10 fabriquées. Dans une telle pompe à engrenage, la chambre hydraulique est constituée à partir d'une plaque intermédiaire comportant une cavité pour recevoir l'engrenage et deux flasques sont placés de part et d'autres de la plaque intermédiaire et les trois plaques sont réalisées à partir de tôles d'acier laminé d'épaisseur calibrée seulement découpée, 15 sans reprise d'usinage en épaisseur. Les pièces intégrant les conduits hydrauliques de la pompe sont injectées en matière plastique, ainsi dans une telle pompe à engrenage le circuit fluidique d'entrée et de sortie du fluide est constitué par une pièce en matière plastique injectée. Cette configuration permet facilement la réalisation de rayons dans les coudes des 20 canalisations hydrauliques, réduisant ainsi les pertes de charge ainsi que la masse de l'ensemble pompe. Dans une telle pompe à engrenage, les roues dentées peuvent également être réalisées par injection de matière plastique. En effet, la précision apportée par les plaques de métal découpées, permet 25 d'accepter une moindre précision des engrenages en matière plastique. La réalisation d'un engrenage en thermoplastique contribue également à la réduction de masse. La présente invention sera bien comprise et ses avantages ressortiront aussi à la lumière de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels : 30 - Fig. 1 montre un schéma d'une pompe à engrenage simple, déjà décrite. - Fig. 2 montre une coupe d'une pompe à engrenage selon l'état de l'art, déjà décrite. - Fig. 3a montre une vue éclatée en perspective de la pompe à engrenage selon l'invention et un moteur auquel elle est reliée. 35 - Fig. 3b montre une vue en perspective d'un flasque et les pions de centrage hydrauliques de la pompe à engrenage selon l'invention. 3060669 4 - Fig. 4a, 4b et 4c montrent des vues en plan des plaques métalliques selon un premier mode de réalisation des découpes. - Fig. 5a, 5b, et 5c montent des vues en plan des plaques métalliques selon un deuxième mode de découpe. 5 - Fig. 6a montre une coupe passant par l'axe moteur de la pompe à engrenage. - Fig. 6b montre une autre coupe de la pompe à engrenage passant par les axes des conduits hydrauliques constituant le circuit fluidique. L'invention sera maintenant expliquée plus en détail à l'aide des dessins ci- 10 annexés dans lesquels : La Fig. 3a montre une vue en perspective éclatée des différentes parties de la pompe à engrenage et son moteur. Une plaque 210b comporte une cavité 236 en forme de huit adaptée pour loger un engrenage 240 et deux logements de pions de centrage 231. La plaque intermédiaire en métal 210b est aussi pourvue d'un canal de 15 communication (Fig. 4c, 405) entre la cavité 236 et chacun des logements 231. Deux plaques métalliques périphériques identiques (210a) comportent deux logements de pions de centrage 231 et une ouverture 232 dont l'axe est confondu avec l'axe de l'une des roues de l'engrenage 240, quand la pompe est montée. Sur les dessins, les trois plaques sont circulaires, mais elles pourraient aussi bien avoir une forme autre, telle qu'elliptique, 20 carrée, ou rectangulaire. Ces plaques sont précises dimensionnellement et réalisées de façon particulièrement simple car elles sont fabriquées, sans aucune opération de retouche en épaisseur, par exemple, en tôle d'acier inoxydable laminée à froid de précision « Fine (F) » selon norme IS09445. Selon cette dernière norme, une plaque d'épaisseur 2 mm présente une tolérance de +/- 0,035mm sur l'épaisseur. Le contour 25 extérieur des plaques 210a, 210b peut être réalisé, notamment, en découpe fine ou en emboutissage. La découpe de la cavité 236 peut être réalisée avec la précision nécessaire, en électroérosion par fil standard, soit une précision dimensionnelle de ± 0,01 mm sur les différentes dimensions de la découpe, pour une dimension d'environ 25mm et pour des flasques de 2mm d'épaisseur. Les logements 231 et 232 peuvent être découpés 30 de façon plus économique, en découpe fine, soit avec une précision de ± 0,05mm pour un diamètre d'environ 8mm. Une découpe par emboutissage peut être aussi envisagée pour les logements 231 et 232, à condition que les déformations restent acceptables. A noter que la position relative de la cavité 236 et des logements 231 peut être rendue très précise grâce à leur réalisation successive à l'aide du même procédé, comme par 35 exemple l'électroérosion par fil, et peut permettre un positionnement des découpes entre elles avec une précision de l'ordre de ± 1,51..tm. Les procédés de découpe mentionnés sont courants et peu onéreux. La conception envisagée permet donc d'obtenir une 3060669 5 chambre hydraulique de pompe dotée d'une bonne précision dimensionnelle tant sur l'épaisseur, la planéité et la précision des diamètres. Pour une facilité de fabrication les trois plaques peuvent être de même épaisseur, mais on pourrait envisager d'avoir, par exemple, les plaques 210a réalisées en épaisseur plus faible que l'épaisseur de la plaque 5 210b, de façon à réduire la masse de la pompe. Un premier flasque 230 en matière plastique comporte d'un côté un espace adapté pour loger les trois plaques métalliques 210a et 210b et de l'autre côté des canalisations d'entrée et sortie hydraulique 235. Un second flasque 220 aussi illustré en perspective sur la Fig. 3b, est adapté pour porter un moteur 280 d'un côté, et est, de l'autre côté, pourvu 10 de deux pions de centrage 221, assurant également la fonction de canalisation du fluide en entrée et sortie de pompe, constituant ainsi des « pions de centrage hydrauliques ». Le second flasque 220 est aussi pourvu d'un trou axial 282 pour le passage de l'axe 281 du moteur 280. Le second flasque 220 est pourvu de moyens, ici quatre plots 285, destinés à recevoir les vis d'assemblage de la pompe. Un accouplement 250 a pour fonction de relier 15 en rotation l'axe 281 du moteur 280 à l'une des roues de l'engrenage 240. Les pions de centrage 221 ont une forme évasée et font partie du circuit hydraulique. Les pions de centrage 221 obturent l'espace hydraulique d'un côté et leur forme intérieure permet une communication fluidique entre les canalisations d'entrée et sortie 235 du premier flasque 230 et la cavité 236 de l'engrenage 240. Les pions de centrage 221 ont donc la double 20 fonction d'aligner les trois plaques métalliques et de former le circuit hydraulique de la pompe à engrenage. Le fait que les flasques 230 et 220 soient en matière plastique permet un aménagement optimal des parties constituant le circuit hydraulique afin de réduire les pertes de charge de manière optimale dans le circuit hydraulique. En effet, la forme des canaux à l'intérieur des pions 221 peut être facilement réalisée avec des 25 formes rayonnées réduisant la perte de charge, car ces canaux sont réalisés avec le flasque 220 par injection de matière plastique. De plus, la réalisation des flasques et des roues dentées avec des matériaux thermoplastiques choisis, par exemple, dans les polyphtalamides, polyétherimides, polysulfones, polyoxyméthylènes, polyamides, permet la construction d'une pompe particulièrement légère. La précision dimensionnelle requise 30 pour les flasques 220 et 230, est seulement une précision courante, car les flasques n'ont qu'une fonction d'assemblage et de contenant vis à vis des plaques métalliques. Ainsi la fabrication de ces flasques 220, 230 peut être réalisée de façon économique. Le moteur 280 est pourvu d'un axe 281 et a pour fonction de transmettre son couple à l'une des roues de l'engrenage 240 par l'intermédiaire d'un accouplement 250. 35 L'axe du moteur 280 est adapté pour traverser le trou axial 282 dans le second flasque 220. Dans ce mode de réalisation, le premier flasque 230 est relié au second flasque 220 par quatre vis 290. Le vissage permet de serrer les trois plaques métalliques entre elles et 3060669 6 contre les deux flasques 220, 230. L'étanchéité du circuit hydraulique est garantie par le vissage de ces vis 290 ainsi que par l'état de surface et la planéité des plaques métalliques. Un homme du métier comprend que d'autres moyens peuvent être utilisés pour obtenir le même effet que le vissage, par exemple, un assemblage par soudage ou 5 un encliquetage des flasques 220, 230. On peut placer un premier joint 270, par exemple un joint torique, entre le premier flasque 230 et le second flasque 220 et un second joint 260 sur l'axe 281 du moteur afin de garantir l'étanchéité du circuit hydraulique vis à vis du milieu extérieur à la pompe et vis à vis du moteur 280. A noter que l'entraînement en rotation d'une des roues de l'engrenage 240 peut être réalisé par tout autre moyen qu'un 10 moteur à courant continu à balais tel que représenté, par exemple un moteur « brushless » sans balai, et que, selon le moyen d'entraînement en rotation envisagé, le joint 260 pourra s'avéré nécessaire ou non. La Fig. 4a montre une première plaque métallique périphérique 210a pourvue de trois trous. Deux trous 231 localisés diamétralement opposés l'un de l'autre autour de 15 l'axe central de la plaque 210a sont adaptés pour recevoir les pions de centrage 221. Le troisième trou 232 est destiné à recevoir l'axe 281 du moteur 280. Les trous 231 et 232 peuvent être réalisés, de préférence, en découpe fine comme vu précédemment. Dans la Fig. 4b on a, sur la plaque périphérique 210a, dessiné la forme de huit de la cavité destinée à l'engrenage 240, l'axe de l'un des lobes du huit étant coaxial avec le 20 trou 232 et avec l'axe de l'une des roues dentées de l'engrenage 240. Ensuite, on a dessiné un bras qui relie les trous 231 en passant entre les deux lobes du huit, c'est à dire la ligne le long de laquelle les dents des roues s'accrochent l'une à l'autre. En découpant la plaque 210a le long de ce dessin 402 on obtient la plaque intermédiaire 210b, qui comporte une cavité 236 destinée à loger l'engrenage 240, les deux trous 231 destinés 25 aux pions de centrage 221 et deux canaux 405 qui permettent une communication fluidique entre la cavité 236 et la partie évasée des pions de centrage 221 quand ceux-ci sont logés dans les trous de centrage 231. En se servant d'une plaque périphérique 210a comme d'une ébauche pour fabriquer la plaque intermédiaire destinée à loger l'engrenage, le procédé de fabrication devient plus efficace et on obtient une bonne 30 précision. On pourra envisager, par exemple, de réaliser les trois premiers trous 231 et 232 en découpe fine, puis de réaliser la découpe selon le dessin 402 en découpe par électroérosion à fil, procédé connu pour donner la haute précision, comme vu précédemment, et nécessaire à une bonne performance de pompe. Dans les figures 5a, 5b et 5c on montre un autre mode de réalisation de la 35 découpe de la plaque 210b. Dans ce cas, la plaque est découpée entièrement selon le dessin de découpe 431, en partant d'un avant trou 410 qui permet de passer un fil d'électroérosion. Ce mode de réalisation donne une précision de réalisation de la 3060669 7 découpe plus grande que le mode de réalisation décrit au paragraphe ci-dessus. En Fig. 5c, le flasque est réalisé entièrement en découpe par électroérosion à fil, qui est plus précis que le découpage fin. La Fig. 6a montre l'axe 281 du moteur 280 qui passe par un trou dédié dans le 5 second flasque 220 et une des plaques périphériques 210a et qui est relié à l'une des roues dentées de l'engrenage 240 qui est logée dans la cavité 236 de la plaque intermédiaire 210b. Les trois plaques sont posées l'une sur l'autre et logées dans le premier flasque 230. La Fig. 6b illustre comment les pions de centrage 221 du second flasque 220 10 assurent la double fonction d'aligner les trois plaques en métal 210a, 210b, 210a dans le premier flasque 230, et de créer un circuit fluidique fermé entre les canalisations d'entrée et de sortie 235 et la cavité 236 qui loge l'engrenage 240. Un joint d'étanchéité 270 assure l'étanchéité fluidique entre le premier flasque 230 et le second flasque 220. Un homme du métier comprend qu'il y d'autres moyens d'obtenir une étanchéité entre le 15 premier et second flasque. Le moteur 280 repose sur le second flasque 220 entre les plots 285. Le moteur 280 est solidaire du second flasque 220 par un moyen non représenté sur les figures. Un homme du métier comprend qu'il est possible de relier le moteur à la partie hydraulique de la pompe à engrenage de manière différente. Un premier avantage d'intégrer les pions de centrage dans le circuit hydraulique 20 est une réduction d'encombrement de la pompe à engrenage. Un second avantage d'intégrer les pions de centrage dans le circuit hydraulique est que des coudes dans la canalisation hydraulique peuvent être supprimés et de ce fait on réduit la perte de charge de la pompe à engrenage, comme indiqué plus haut. Un troisième avantage d'intégrer les pions de centrage dans le circuit hydraulique 25 est une réduction du volume des parties métalliques et de ce fait une réduction de poids de la pompe à engrenage. En logeant les plaques métalliques dans des flasques en plastique on réduit le poids de la pompe pour une performance donnée. Une variante encore plus légère que l'invention décrite, et non représentée, 30 consiste à n'utiliser qu'une seule plaque en métal 210b. La cavité 236 est alors fermée au-dessus et au-dessous de la plaque 210b, respectivement par le flasque 220 et le flasque 230. Les flasques en plastique utilisés comme support pour l'engrenage ne permettent cependant pas d'obtenir la même précision que lorsqu'on utilise trois plaques métalliques. 35 Une seconde variante, non représentée, consiste à superposer deux plaques métalliques dont la première présente dans son épaisseur, le creusement d'une cavité en forme de huit ayant la fonction d'une plaque inférieure périphérique et la plaque 3060669 8 intermédiaire, tandis que la deuxième plaque présente la fonction d'une plaque périphérique supérieure. Cette variante présente l'inconvénient d'un usinage complexe, couteux et donnant un niveau de précision dimensionnelle inférieur à la solution décrite. Il est aussi possible de former la cavité de l'engrenage en utilisant deux plaques 5 identiques pourvues chacune d'un espace creux de la forme de la cavité destinée à l'engrenage qu'on pose l'une au-dessus de l'autre. Les 2 plaques superposées reconstituent alors une cavité correspondant à l'épaisseur d'une seule plaque 210b. Cette variante présente aussi l'inconvénient d'un usinage complexe, couteux et donnant un niveau de précision dimensionnelle inférieur à la solution décrite. 10 REVENDICATIONS1. Pompe à engrenage comportant Un engrenage (240), Trois plaques métalliques (210a, 210b, 210a), placées les unes sur les autres, dont une plaque intermédiaire (210b) comportant une cavité (236) en forme de huit adaptée pour loger l'engrenage (240), et deux plaques périphériques (210a, 210a) ayant pour fonction d'enfermer l'engrenage (240) dans la cavité (236), Un circuit pour alimentation fluidique de l'engrenage (240), Des moyens de centrage (221) pour aligner les trois plaques les unes au dessus des autres, Les trois plaques métalliques (210a, 210b, 210a) étant pourvues de trous de centrage (231) dans la direction axiale, adaptés pour recevoir les moyens de centrage (221), la pompe à engrenage étant caractérisée en ce que La plaque intermédiaire (210b) est pourvue d'ouvertures (405) permettant ledit circuit d'alimentation fluidique entre les trous de centrage (231) et la cavité en forme de huit (236), la pompe comprenant aussi: un premier flasque (230) en matière plastique adapté pour recevoir les trois plaques métalliques (210a, 210b, 210a) et comportant une canalisation pour l'entrée et la sortie (235) du fluide de l'engrenage (240), un second flasque (220) en matière plastique comportant les moyens de centrage (221) adaptés pour aligner les trous de centrage (231) dans les trois plaques (210a, 210b, 210a), ces moyens de centrage (221) étant adaptés pour au moins en partie former ledit circuit fluidique avec la cavité (236) logeant l'engrenage (240) et la canalisation d'entrée et sortie dans le premier flasque (230), et des moyens de fixations (290) pour fixer le premier flasque au deuxième flasque afin d'enfermer les trois plaques métalliques. 2. Pompe à engrenage selon la revendication précédente, les trois plaques (210a, 201b, 210a) étant réalisées à partir de tôles d'acier laminé d'épaisseur calibrée seulement découpées. 3. Pompe à engrenage, selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les roues dentées de l'engrenage (240) sont réalisées par injection de matière plastique. 3060669 10 4. Pompe à engrenage selon la revendication précédente comprenant un joint (270) entre le premier flasque (230) et le second flasque (220) ayant pour fonction de garantir l'étanchéité du circuit hydraulique. 5 5. Pompe à engrenage selon une des revendications précédentes, dans laquelle au moins une des plaques métalliques périphériques (210a) entourant la plaque métallique intermédiaire (210b) comprend une ouverture axiale (232) adaptée pour recevoir un axe (281) de moteur (280) pour pouvoir relier une des roues de l'engrenage 10 (240) au moteur (280). 6. Pompe à engrenage selon la revendication précédente, une des roues de l'engrenage (240) étant reliée par son axe de rotation à l'axe (281) du moteur (280) qui a pour fonction de transmettre son couple à cet engrenage (240) afin de faire tourner la 15 pompe à engrenage. 7. Pompe à engrenage selon la revendication précédente, l'axe (281) du moteur étant pourvu d'un joint d'étanchéité (260). 20 8. Pompe à engrenage, selon une des revendications précédentes, la cavité (236) destinée à l'engrenage étant découpée par électroérosion par fil. 9. Pompe à engrenage, selon une des revendications précédentes, les trous (231) et (232) étant réalisés en découpage fin. 25 10. Pompe à engrenage selon une des revendications précédentes, une plaque périphérique (210a) servant d'ébauche pour fabriquer la plaque intermédiaire (210b).