Pompes à engrenages externes

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

Les pompes à engrenages externes sont un type de pompe rotative à déplacement positif qui remonte à la fin du XVIe siècle. Elles étaient souvent entraînées par des roues hydrauliques car elles peuvent utiliser la simple rotation d’engrenages pour transférer des fluides. Les pompes à engrenages externes ont évolué pour devenir le type de pompe volumétrique rotative le plus simple et le plus courant. En général, les pompes à engrenages externes ont deux engrenages sur des arbres séparés, dont un est relié à un moteur. Les types d’entraînement, la taille et les matériaux de construction varient largement selon l’industrie et l’application. On trouve des pompes à engrenages externes avec des débits allant de 20 ml/min à plus de 50 L/min, avec des pressions allant jusqu’à 500 bars.

Engrenages DPP d’une pompe à engrenages à couplage magnétique 2

Comment fonctionnent les pompes à engrenages externes ?

Le cycle d’une pompe à engrenages peut être décomposé en trois actions distinctes :

1. Le désengrenage des engrenages augmente le volume à l’entrée de la pompe. Le volume expansé crée un vide, permettant à la pression externe de pousser le fluide dans la pompe.
2. Lorsque les engrenages tournent, le fluide est emprisonné entre les dents des engrenages et la paroi de la cavité du carter. Cela transfère le fluide du côté de l’entrée de la pompe vers le côté de la sortie.
3. Les jeux étroits et la vitesse de rotation minimisent les fuites internes de fluide vers l’arrière.
   Le fluide supplémentaire délivré du côté de la sortie, ainsi que le volume décroissant créé par l’emboîtement des engrenages, évacuent le fluide par la sortie.

Diagramme DPP de la pompe à engrenages extérieurs

Types d’engrenages

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

• Éperon : Les engrenages cylindriques 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 permet d’utiliser des matériaux durcis. Cependant, l’engrenage droit s’engage simultanément sur toute sa longueur, ce qui entraîne un fonctionnement plus bruyant, une plus grande sensibilité à la cavitation et une durée de vie réduite.
• Hélicoïdal : les engrenages hélicoïdaux sont des engrenages droits mais s’enroulent en spirale axialement le long de l’engrenage. Cela permet de réduire le bruit et les vibrations car les dents s’engagent et se désengagent progressivement tout au long de la rotation, ce qui se traduit par une durée de vie plus longue. Cependant, la forme hélicoïdale induit une force axiale qui peut provoquer une usure entre les engrenages et le carter. Ce problème doit être résolu grâce à une conception et un choix de matériaux judicieux. Les engrenages hélicoïdaux sont légèrement plus difficiles à produire que les engrenages droits ; ils peuvent toujours être moulés, bien qu’avec une précision réduite.
• En chevrons : Les engrenages en chevrons offrent les avantages des engrenages hélicoïdaux sans la force axiale qui en résulte. L’hélice est réfléchie autour du plan central de l’engrenage, générant un motif en forme de “chevron” en V. Bien que ce type d’engrenage soit fonctionnellement supérieur aux autres, il est considérablement plus difficile à produire et constitue donc l’option la plus coûteuse.

Pompes DPP à engrenages hélicoïdaux à chevrons

Avantages/inconvénients

Quels sont les principaux avantages et caractéristiques 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 4000 tr/min, ce qui permet d’obtenir 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 et qu’il s’agit d’un écoulement régulier et sans impulsion, les pompes à engrenages externes sont couramment utilisées pour le dosage, le mélange et les opérations de rétroaction de contrôle simples. Elles peuvent traiter des fluides de haute et basse viscosité, mais il est important de consulter les ingénieurs des pompes pour s’assurer que la pompe fonctionne dans des conditions optimales. Les pompes à engrenages sont parmi les pompes volumétriques les plus silencieuses et sont idéales pour les applications où le bruit est une préoccupation.

Une sous-catégorie importante de pompes à engrenages est celle des pompes à engrenages à couplage magnétique. Ces pompes n’ont pas de joint dynamique, ce qui leur confère 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 sont lubrifiés par le fluide pompé et ne doivent pas fonctionner à sec pendant des périodes prolongées. Le pompage de fluide avec des abrasifs usera rapidement les flancs des engrenages et les paliers internes car le fluide pompé est également le fluide lubrifiant.

Les tolérances étroites entre les engrenages et le carter, l’engrènement serré des engrenages et les volumes limités des dents rendent difficile le pompage de fluides contenant de gros solides en suspension. Si l’on prévoit la présence de solides en suspension, une crépine peut être installée du côté de l’entrée. Cependant, la création d’un vide trop important à l’entrée peut entraîner une cavitation.

Une pompe à engrenages ne doit pas être utilisée trop loin de sa plage de vitesse recommandée. Les paliers hydrodynamiques des pompes à engrenages sont optimisés pour des plages de vitesse spécifiques. Faire fonctionner la pompe trop lentement peut, de manière 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.

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

Les vitesses élevées, les jeux étroits et l’engrènement des pompes à engrenages externes les rendent inadaptées aux liquides sensibles au cisaillement tels que la peinture et les savons.

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 faisant correspondre précisément les matériaux de construction au liquide. Alors que les pompes à engrenages externes sont généralement en fonte, des matériaux plus récents permettent à ces pompes de traiter des liquides tels que l’acide sulfurique, l’hypochlorite de sodium, le chlorure ferrique, l’hydroxyde de sodium et des centaines d’autres liquides corrosifs.

• Externes (tête, corps, support) – Fer, fonte ductile, acier, acier inoxydable, alliages supérieurs, composites, PPS, ETFE
• Arbres – Acier, acier inoxydable, hauts alliages, céramique d’alumine, PEEK
• Engrenages – Acier, acier inoxydable, carbures, PTFE, PPS, PEEK
• Bagues/roulements – Carbone, bronze, carbure de silicium, roulements à aiguilles, PEEK,
• Joint d’arbre – Garniture, joint à lèvre, garniture mécanique de composant, accouplement magnétique

Pourquoi toutes les pompes à engrenages ne sont pas créées égales

Vie

• La 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 obtenir un faible taux d’usure.
• La taille et la disposition des roulements sont cruciales pour obtenir un faible taux d’usure. Les chemins de lubrification appropriés sont subtils mais importants pour maintenir les roulements lubrifiés, froids et avec suffisamment de liquide pour développer une couche hydrodynamique appropriée.
• Le maintien d’un jeu réduit et constant entre les roulements réduit le contact mais exige une précision d’usinage élevée et répétable.
• Une mauvaise qualité du profil des engrenages, qu’elle soit due au moulage ou à de mauvaises pratiques d’usinage, accélère l’usure.
• Même les pompes les mieux conçues et de la plus haute qualité peuvent avoir des performances médiocres si elles sont mal utilisées. L’accès et l’engagement avec les ingénieurs des pompes sont essentiels pour une longue durée de vie.
• Une sélection appropriée des matériaux

Cohérence

Pour les applications OEM, la répétabilité entre les pompes est une caractéristique essentielle mais souvent négligée des pompes. Un certain nombre de facteurs influencent la répétabilité des pompes à engrenages, notamment les tolérances des engrenages, du carter, des roulements, l’alignement de l’assemblage et la consistance du moteur. Si des contrôles appropriés ne sont pas mis en place, la variation de la pompe à la 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, de tests de pompes à 100 % et d’une réputation bien établie.

Sceaux

Les joints entre l’arbre du moteur et le carter sont les éléments qui limitent le plus la durée de vie d’une pompe. Une sélection et un test minutieux des joints sont nécessaires en utilisant les fluides réels du concepteur du système. Un joint qui pompe de l’eau aura un rendement bien différent de celui d’un joint qui pompe un acide agressif. De plus, la défaillance d’un joint peut entraîner des dommages aux équipements environnants et pas seulement à la pompe. La meilleure solution est d’utiliser un accouplement magnétique si la pression et la vitesse le permettent.