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Pompes à engrenages externes

Qu'est-ce qu'une pompe à engrenages externes ?


Les pompes à engrenages externes sont un type de pompe à déplacement positif rotative remontant à la fin du XVIe siècle. Elles étaient souvent entraînées par des roues hydrauliques car elles peuvent utiliser la simple rotation des engrenages pour transférer les fluides. Les pompes à engrenages externes sont devenues le type le plus simple et le plus courant de pompe rotative à déplacement positif. Généralement, les pompes à engrenages externes ont deux engrenages sur des arbres séparés, un arbre étant relié à un moteur. Les types d'entraînement, les dimensions et les matériaux de construction varient considérablement selon le domaine et l'application. Les pompes à engrenages externes sont disponibles avec des débits allant de 20 ml/min à plus de 50 l/min, avec des pressions allant jusqu'à 500 bar.

Engrenages d'une pompe à engrenages à accouplement magnétique

Comment fonctionnent les pompes à engrenages externes


Le cycle d'une pompe à engrenages peut être divisé en trois actions distinctes :

  1. Le démêlage des engrenages augmente le volume à l'entrée de la pompe. Le volume dilaté crée un vide, permettant à la pression externe de pousser le fluide dans la pompe.
  2. Au fur et à mesure que les engrenages tournent, du liquide est emprisonné entre les dents de l'engrenage et la paroi de la cavité du carter. Ceci transfère le fluide du côté aspiration de la pompe vers le côté refoulement. Les jeux serrés et la vitesse de rotation réduisent au minimum les fuites internes de liquide vers l'arrière.
  3. Le fluide supplémentaire fourni du côté de la sortie, ainsi que le volume décroissant créé lorsque les engrenages s'enclenchent, évacue le fluide hors de la sortie.

Cycle de la pompe à engrenages

Types d'engrenages


Les pompes à engrenages externes utilisent l'un des trois types d'engrenages :

  • Engrenage droit : les engrenages droits sont la géométrie la plus simple. Ils peuvent être fabriqués à partir de nombreuses méthodes de fabrication, y compris le moulage par injection. La géométrie des engrenages droits se prête également bien à la rectification ou à l'électroérosion à fil, ce qui rend les matériaux trempés une option. Cependant, toute la longueur de l'engrenage droit s'engage simultanément, ce qui entraîne un fonctionnement plus bruyant, une plus grande sensibilité à la cavitation et une durée de vie réduite.
  • Engrenage hélicoïdal : les engrenages hélicoïdaux sont des engrenages droits mais spiralés axialement le long de l'engrenage. Cela réduit le bruit et les vibrations car les dents s'engagent et se désengagent progressivement tout au long de la rotation, ce qui prolonge la durée de vie.  Cependant, la forme hélicoïdale induit une force axiale qui peut provoquer une usure entre les engrenages et le carter. Il faut y remédier par une conception et un choix de matériaux minutieux. Les engrenages hélicoïdaux sont légèrement plus difficiles à fabriquer que les engrenages droits ; ils peuvent encore être moulés, mais avec une précision moindre.
  • Engrenage à chevrons :  les engrenages à chevrons offrent les avantages des engrenages hélicoïdaux sans la force axiale résultante. L'hélice est réfléchie autour du plan central de l'engrenage, générant un motif en forme de V en forme de « chevrons ». Bien que cela soit fonctionnellement supérieur aux autres types d'engrenages, ce type est beaucoup plus difficile à produire et c'est donc l'option la plus coûteuse.


Droit Hélicoïdal À chevrons

Avantages/inconvénients


Quels sont les principales caractéristiques et avantages d'une pompe à engrenages externes ?

Les pompes à engrenages sont compactes et simples avec un nombre limité de pièces mobiles. Les petites pompes à engrenages externes fonctionnent généralement jusqu'à 4 000 tr/min, ce qui permet des débits élevés dans des enveloppes compactes. Elles sont entièrement réversibles, ce qui facilite les procédures hydrauliques complexes. Contrairement aux pompes centrifuges, les pompes à engrenages sont auto-amorçantes et peuvent soulever à sec des hauteurs importantes.

Comme le débit est directement proportionnel à la vitesse de rotation et qu'il s'agit d'un débit régulier et sans impulsion, les pompes à engrenages externes sont couramment utilisées pour le dosage, le mélange et les opérations simples de rétroaction de commande. Elles peuvent manipuler des fluides à viscosité élevée et faible, mais il est important de consulter les ingénieurs de la pompe pour s'assurer que la pompe fonctionne à son état optimal. Les pompes à engrenages sont parmi les pompes à déplacement positif les plus silencieuses et idéales pour les applications où le bruit est un problème.

Les pompes à engrenages à accouplement magnétique constituent une sous-catégorie importante des pompes à engrenages. Ces pompes n'ont pas de joint d'étanchéité dynamique, ce qui leur assure une longue durée de vie sans risque de fuite externe.


Quelles sont les limites d'une pompe à engrenages externes ?

Les engrenages et leurs paliers lisses sont lubrifiés par le fluide pompé et ne doivent pas fonctionner à sec pendant de longues périodes. Le fluide de pompage contenant des abrasifs usera rapidement les flancs des engrenages et les roulements internes, car le fluide pompé est aussi le fluide lubrifiant.

Les tolérances étroites entre les engrenages et le carter, le maillage serré des engrenages et le volume limité des dents rendent difficile le pompage de fluides contenant de grandes quantités de solides en suspension. Si l'on prévoit la présence de solides en suspension, on peut installer une crépine du côté de l'entrée. Cependant, la création d'un vide trop élevé à l'entrée peut entraîner la cavitation.

Une pompe à engrenages ne doit pas être utilisée trop en dehors de sa plage de vitesse recommandée. Les paliers lisses hydrodynamiques des pompes à engrenages sont optimisés pour des plages de vitesse spécifiques. Un fonctionnement trop lent de la pompe peut, de façon surprenante, entraîner une usure accélérée.

Pour les applications à haute température, il est important de s'assurer que la plage de température de fonctionnement est compatible avec les spécifications de la pompe. La dilatation thermique du corps et des engrenages peut modifier les jeux à l'intérieur de la pompe, altérant les performances et accélérant potentiellement l'usure.

Avec une puissance suffisante, les pompes à engrenages continueront à pomper contre une contre-pression si elles sont soumises à un blocage en aval. Cela peut entraîner une surpression et une rupture du système. La fuite interne d'une pompe à engrenages limite sa pression maximale. De plus, des soupapes de surpression (bypass) peuvent être intégrées dans la pompe pour court-circuiter la sortie vers l'entrée à des pressions prescrites.

Les pompes à engrenages externes ne conviennent pas aux liquides sensibles au cisaillement tels que la peinture et les savons en raison de leur vitesse de rotation élevée, de leur faible jeu et de leur maillage.


Matériaux de construction / Options de configuration


Comme l'indique la liste suivante, les pompes à engrenages peuvent être construites dans une grande variété de matériaux. Une durée de vie supérieure et un coût optimisé peuvent être obtenus en adaptant précisément les matériaux de construction avec le liquide. Bien que les pompes à engrenages externes se retrouvent couramment dans la fonte, de nouveaux matériaux permettent à ces pompes de manipuler des liquides comme l'acide sulfurique, l'hypochlorite de sodium, le chlorure ferrique, l'hydroxyde de sodium et des centaines d'autres liquides corrosifs.

  • Externes (tête, boîtier, support) : fer, fonte ductile, acier, acier inoxydable, alliages spéciaux, composites, PPS, ETFE
  • Arbres : acier, acier inoxydable, alliages, céramique d'alumine, PEEK
  • Engrenages : acier, acier inoxydable, carbures, PTFE, PPS, PEEK
  • Bagues/roulements : carbure de carbone, bronze, carbure de silicium, roulements à aiguilles, PEEK,
  • Boîte d'étanchéité : garniture d'étanchéité, garniture à lèvre, garniture mécanique de composant, accouplement magnétique

 

Pourquoi toutes les pompes à engrenages ne sont pas toutes égales


Vie

Ladurée de vie de la pompe est une combinaison de détails de conception, de précision de fabrication et de collaboration entre ingénieurs :

  • La taille et la disposition des roulements sont cruciales pour un faible taux d'usure.
  • Les voies de lubrification appropriées sont subtiles mais importantes pour maintenir les roulements lubrifiés, frais et avec suffisamment de liquide pour développer une couche hydrodynamique adéquate.
  • Le maintien de faibles jeux de paliers lisses réguliers réduit le contact, mais exige une grande précision d'usinage répétable.
  • Une mauvaise qualité de profil d'engrenage, qu'elle soit due au moulage ou à de mauvaises pratiques d'usinage, accélère l'usure.
  • Même les pompes de la meilleure conception et de la plus haute qualité peuvent mal fonctionner si elles ne sont pas utilisées correctement. L'accès et l'engagement des ingénieurs de pompes sont essentiels à une longue durée de vie.
  • Choix approprié des matériaux

Harmonisation

Pour les applications OEM, la répétabilité pompe à pompe est une caractéristique critique mais souvent négligée des pompes. Un certain nombre de facteurs influencent la répétabilité des pompes à engrenages, y compris les tolérances des engrenages, des carters, des roulements, de l'alignement de l'assemblage et de la constance du moteur. Si les contrôles appropriés ne sont pas en place, la variation de pompe à pompe peut dépasser 20 % à des pressions élevées. Il est essentiel de s'assurer que le fabricant de pompes dispose d'un système de contrôle de la qualité robuste, qu'il teste les pompes à 100 % et qu'il a une réputation bien établie.

Joints

Les joints d'étanchéité entre l'arbre du moteur et le carter sont les composants qui limitent le plus la durée de vie d'une pompe. Une sélection et un test minutieux des joints d'étanchéité sont requis en utilisant les fluides réels du concepteur du système. Un joint d'étanchéité pompant de l'eau aura une performance très différente de celle d'un joint pompant un acide agressif. De plus, la défaillance d'un joint d'étanchéité peut entraîner des dommages à l'équipement environnant et pas seulement à la pompe. La meilleure solution est d'utiliser un accouplement magnétique si la pression et la vitesse le permettent.