Pompe hydraulique et moteur, principe et fonctionnement !

moteur pompe hydraulique

La pompe hydraulique et le moteur sont similaires dans la construction, mais différent dans les caractéristiques opérationnelles. Par conséquent, la plupart des points abordés dans cette leçon se concentrerons uniquement sur la nomenclature et le fonctionnement des pompes hydrauliques.

 

La pompe hydraulique

Pompe hydraulique permet d'établir un débit dans un cricuit de base
La pompe hydraulique transforme l’énergie mécanique en énergie hydraulique. Il s’agit d’un dispositif qui prend de l’énergie d’une source (par exemple le moteur thermique, moteur électrique, etc.) et transforme cette énergie sous forme hydraulique.
La pompe hydraulique prend l’huile hydraulique d’un réservoir de stockage et la pousse dans un circuit hydraulique sous forme de débit ainsi toutes les pompes hydrauliques produisent un débit d’huile de la même façon. Une dépression est créée du côté de l’aspiration de la pompe hydraulique puis la pression atmosphérique élevée ou la pression du réservoir pousse l’huile à travers l’orifice d’aspiration et à l’intérieur de la chambre d’aspiration de la pompe. Les engrenages de la pompe à engrenage par exemple transportent ensuite l’huile vers la chambre de refoulement de la pompe hydraulique.

Le volume de la chambre diminue au fur et à mesure que la chambre se rapproche de l’orifice de refoulement. Cette diminution de la taille de la chambre pousse l’huile vers la sortie (vers le circuit).
Les pompes  hydrauliques produisent uniquement le débit (c’est-à-dire gallons par minute, litres par minute, ou centimètres cube par tour, etc.) utilisé dans le circuit hydraulique. Elles NE PRODUISENT PAS ou NE PROVOQUE PAS de «pression», la pression est provoquée uniquement par la résistance au passage du débit. La résistance peut être causée à travers les flexibles, les orifices, les vérins, les moteurs,ou n’importe quel composant du système qui gêne la circulation d’huile vers le réservoir.

Les pompes peuvent être classées en deux types : Pompes hydrauliques à Cylindrée non positive (négatif) et Pompes hydrauliques à Cylindrée positive (pompes volumétriques).

Le moteur hydraulique

le moteur hydraulique est entrainé par l'énergie hydraulique

Contrairement à la pompe, le moteur hydraulique transfère l’énergie hydraulique en énergie mécanique. Il utilise le débit d’huile qui est poussé dans le circuit hydraulique par une pompe hydraulique et le transforme par un mouvement rotatoire pour entraîner un autre dispositif (c.-à-d. réducteur, différentiel, Boite de vitesse, roue, ventilateur, une autre pompe, etc.).

Les pompes à cylindrée négative

Les pompes hydrauliques à cylindrée négative ont plus d’écart (jeux) entre les pièces mobiles et les pièces stationnaires que les pompes hydrauliques à cylindrée positivent. Le dégagement (jeu) supplémentaire permet à une grande quantité de liquide d’être refoulé entre les pièces lorsque la pression de sortie (résistance au passage de débit) augmente. Les pompes hydrauliques à cylindrée négative sont moins efficaces que les pompes hydrauliques à cylindrée positive car le débit de sortie de la pompe hydraulique à cylindrée négative diminue considérablement au fur et à mesure que la pression de sortie augmente. Les pompes hydrauliques à cylindrée négative sont généralement de type centrifuge (à turbine) ou de type à hélice axiale. Celles-ci sont utilisées dans des applications de basse pression telles que les pompes à eau des véhicules ou les pompes de charge pour les pompes à piston dans les circuits hydrauliques à haute pression.

La pompe centrifuge à roue à aubes

Pompe hydraulique centrifuge a aubes

La pompe hydraulique centrifuge de type roue à aubes est composée de deux parties ; La roue à aubes (2) et le logement (3). La roue à aubes, qui est montée sur un axe d’entrée (4), a un dos en forme de disque solide avec des aubes incurvées (1) moulé du côté aspiration.
Le liquide entre par le centre du logement (5) à proximité de l’axe d’entrée et s’écoule à travers les aubes de la roue. Les aubes incurvées de la roue propulsent le liquide vers l’extérieur contre le logement. Le logement est conçu pour diriger le liquide vers l’orifice de sortie (refoulement).

La pompe à hélice axiale

Pompe hydraulique à hélice axiale

La pompe hydraulique à hélice axiale à la forme d’un ventilateur électrique. Il est monté dans un tube droit et possède une hélice à pales ouvertes. Le liquide est propulsé dans le tube par la rotation des pales inclinées.

Les pompes à cylindrées positives (volumétriques)

Il y a trois types de pompe à cylindrée positive : Pompe hydraulique à Engrenages, pompe à palettes, et pompe hydraulique à pistons. Les pompes à cylindrée positive ont des écarts beaucoup plus petits entre les composants. Ceci réduit la fuite et fournit un débit de refoulement beaucoup plus élevé. Le débit de sortie dans une pompe hydraulique à cylindrée positive est fondamentalement le même pour chaque révolution de pompe hydraulique ainsi les pompes à cylindrée positive sont classifiées à la fois selon le contrôle de leur débit de sortie et selon la construction de la pompe hydraulique.

Les pompes hydrauliques à cylindré positif sont évaluées de deux manières. L’une est par la pression maximum du système à laquelle la pompe est conçue pour fonctionner (c.-à-d. 21.000 kPa ou 3000 PSI). La seconde est le débit de sortie spécifique délivrée soit par rotation ou à une vitesse donnée contre une pression spécifiée. En ce qui concerne la seconde évaluation, les pompes sont évaluées en LPM @ tr @ kPa ou en gpm @ tr @ psi (c. 380 LPM @ 2000 rpm @ 690 kPa ou 100 gpm @ 2000 rpm @ 100 psi).
LPM : Litre par minute.
GPM : Gallon par minute.

Lorsqu’il est exprimé en volume de sortie par tour, le débit peut être facilement converti en le multipliant par la vitesse en tours par minute (ex: 2000 tours par minute) et en le divisant par une constante. Par exemple, nous calculerons le débit d’une pompe hydraulique qui tourne à 2000 t/mn et à un débit de 11.55 in3/rev ou de 190 cc/rev.

Débit de pompe hydraulique

Le rendement volumétrique

Au fur et à mesure que la pression augmente, les jeux (écarts) entre les pièces dans une pompe hydraulique à cylindré positive ne permettent pas de produire le même débit d’entrée à la sortie. Certaine quantité du liquide sera renvoyée à travers les dégagements entre la chambre de haute pression et la chambre de basse pression. Le débit résultant de la sortie, par rapport au débit d’entrée s’appelle “Rendement volumétrique.” (Le débit d’entrée est généralement défini comme ” débit de sortie à 100 psi.”).

Le “Rendement volumétrique” change lorsque la pression change et doit être spécifiée pour une pression donnée. Quand une pompe hydraulique évaluée à 100 gal/mn à 2000 t/mn à 100 psi est actionnée contre une pression de 1000 psi, son débit de sortie peut chuter à 97 gal/mn. Cette pompe hydraulique aura un ” Rendement volumétrique ” de 97% (97/100) à 1000 psi.
Le “Rendement volumétrique à 1000 psi = 0,97 ou 97% efficace à 1000Psi.

Lorsque la pression augmente jusqu’à 2000 psi, le débit de sortie peut chuter à 95 gal/mn. Elle aurait alors un ” Rendement volumétrique ” de 0,95 ou de 95% à 2000 psi. Le nombre de tr/min doit rester constant lorsqu’on mesure un ” Rendement volumétrique.”

Les pompes à cylindrée fixe comparées aux pompes à cylindrée variable

pompe hydraulique cylindrée fixe et variable comparaison

Le débit de sortie d’une pompe hydraulique à cylindrée fixe ne peut être modifié qu’en faisant varier uniquement la vitesse de rotation de la pompe. Celle-ci doit tourné plus rapidement pour augmenter le débit de sortie ou tourné plus lentement pour diminuer le débit de sortie. La pompe hydraulique à engrenages est un exemple de pompe à cylindrée fixe.

Les pompes hydrauliques de type à palettes et à pistons peuvent être à cylindrée fixes ou à cylindrée variable. Le débit de sortie d’une pompe à cylindrée variable peut être augmenté ou diminué indépendamment de sa vitesse de rotation. Le débit de sortie peut être commandé manuellement, automatiquement ou en combinant les deux commandes (manuelle et automatique).

Les pompes à engrenages

La pompe à engrenages est composée de dispositifs de retenue de joint, des joints, des supports de joint, des plaques d’isolement, des entretoises, un pignon menant, un pignon intermédiaire, d’un logement, une bride de fixation, un joint d’étanchéité de bride de fixation, et des plaques d’équilibrage de pression de chaque côté de l’engrenage. Les roulements sont montés dans le logement et la bride de fixation sur chaque côté des pignons pour soutenir les arbres d’engrenage lors de la rotation.

Les pompes à engrenages sont de type à cylindrée positive. Elles délivrent la même quantité d’huile pour chaque révolution de l’arbre d’entrée. Le débit de sortie de la pompe est commandé en changeant uniquement la vitesse de rotation. La pression maximum de fonctionnement pour les pompes à engrenages est limitée à 4000 psi.
Cette limitation de pression est due au déséquilibre hydraulique qui est inhérent à la conception de la pompe à engrenages. Le déséquilibre hydraulique produit une charge sur les axes qui est supporté par les roulements et les dents d’engrenage au contact du logement.

La pompe à engrenages maintient un ” Rendement volumétrique ” au-dessus de 90% lorsque la pression est maintenue dans la plage de pression de fonctionnement conçue.

Débit de la pompe à engrenages

pompe à engrenage fonctionnement

Le débit de sortie de la pompe hydraulique à engrenages est déterminé par la profondeur des dents et la largeur des pignons. La plupart des fabricants de pompe hydraulique à engrenages normalisent la profondeur et le profil de dent déterminés par la distance entre les arbres d’engrenages ou ligne centrale (1.6″, 2.0″, 2.5″, 3.0″, etc.). Avec des profondeurs et des profils normalisés de dent, les différences de débit entre chaque ligne centrale de la classification de la pompe sont déterminées par la largeur de la dent.

Pendant que la pompe tourne, l’huile est portée entre les dents des engrenages et le logement du côté d’aspiration vers le côté refoulement de la pompe hydraulique. Le sens de rotation de l’axe de pignon d’entraînement est déterminé par la localisation des orifices de refoulement et d’aspiration.

Le sens de rotation de l’engrenage d’entraînement sera toujours celui du déplacement de l’huile autour de l’extérieur des engrenages à partir de l’orifice d’aspiration vers l’orifice de refoulement. C’est valable à la fois pour les pompes hydrauliques à engrenages et les moteurs à engrenages. Sur la plupart des pompes hydrauliques à engrenages l’orifice d’aspiration a le plus grand diamètre que l’orifice de refoulement. Sur les pompes hydrauliques et les moteurs bidirectionnels, l’orifice d’aspiration et l’orifice de refoulement sont de la même taille (diamètre).

Les différentes forces appliquées dans une pompe à engrenages

force et debit d'une pompe à engrenage

Le débit de sortie d’une pompe hydraulique à engrenages est créé en poussant l’huile hydraulique hors de la denture une fois en prise vers le côté refoulement ainsi la résistance au passage du débit d’huile crée la pression de refoulement.

Le déséquilibre de la pompe hydraulique à engrenages est dû à la pression sur l’orifice de refoulement qui est plus élevée que la pression sur l’orifice d’admission. L’huile sous pression élevée pousse les roues dentées contre les parois du logement du côté de l’orifice d’admission de la pompe. Les roulements de l’arbre supportent la majorité de la charge latérale pour empêcher l’usure excessive entre les bouts des dents et le logement de la pompe hydraulique.

Sur les pompes à plus hautes pressions, les arbres d’engrenage sont légèrement coniques à partir de l’extrémité extérieure des roulements jusqu’aux pignons. Ceci permet un contact complet entre l’arbre et le roulement lors d’un désaxage léger sous la pression.
L’huile pressurisée est également dirigée entre la zone d’étanchéité des plaques d’équilibrage de pression et le logement ainsi que la flasque (bride) d’assemblage pour sceller les extrémités des dents d’engrenage.

La taille de la zone d’étanchéité entre les plaques d’équilibrage de pression et le logement est ce qui limite la quantité de force qui pousse les plaques contre les extrémités des engrenages.

Plaques d’équilibrage de pression

équilibrage de pression sur une pompe hydraulique

Il existe deux différents types de plaques d’équilibrage de pression utilisés dans les pompes hydrauliques à engrenages. Le type antérieur (1) a un dos plat. Ce type utilise la plaque d’isolement, un support de joint, un joint en forme de 3 et un dispositif de retenue de joint. Le type le plus récent (2) a une rainure en forme de 3 coupée sur le dos et est plus épais que le type antérieur. Deux différents types de joints sont utilisés sur les plus récentes plaques d’équilibrage de pression.

Les pompes à engrenages avec poches

Pompes à engrenages avec poches

Les pompes hydraulique à engrenages avec un logement qui est usiné avec des poches pour que les pignons aient un rayon depuis les parois de la poche jusqu’au fond des poches. La plaque d’isolement ou la plus récente plaque d’équilibrage de pression utilisée dans la poche doit avoir des rebords extérieurs chanfreinés ou incurvée afin de s’adapter parfaitement au fond de la poche.

En Utilisant une plaque d’isolement avec un rebord pointu, un arrêtoir de joint de rebord pointu ou une plaque d’équilibrage de pression de rebord pointu dans une poche de logement forcera les plaques d’équilibrage de pression contre les extrémités des engrenages et causera une défaillance.

Le: 06/06/2018:

Fonctionnement d’une pompe hydraulique, en animation.

Image source: Pedro Agüera, Hydraulic pumps.

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