Volume de déplacement géométrique

Le volume géométrique de refoulement désigne le volume de fluide hydraulique qu’une pompe volumétrique ou un moteur hydraulique refoule ou aspire théoriquement par tour, en fonction des dimensions de conception des chambres de refoulement. Il s’agit d’un paramètre purement géométrique, exprimé en cm³/tr, qui caractérise directement la taille d’une machine hydraulique.

Principes fondamentaux du volume de refoulement géométrique

Le volume de refoulement géométrique fait partie des paramètres de conception essentiels en hydraulique. Il détermine la quantité de fluide déplacée par une pompe lors d’un tour de son arbre d’entraînement ou la quantité absorbée par un moteur par tour. Comme cette valeur résulte exclusivement des dimensions de construction des chambres de refoulement, elle est indépendante des conditions de fonctionnement telles que la pression, la température ou la vitesse de rotation. Les fabricants indiquent le volume de refoulement géométrique dans leurs fiches techniques, car il s’agit d’une grandeur standardisée et mesurable qui permet une comparaison directe entre différentes tailles de construction.

Volume géométrique de refoulement par rapport au volume effectif de course

Dans la pratique, le volume de refoulement géométrique ne doit pas être confondu avec le volume de refoulement effectif. Le volume de course décrit le volume réellement mesuré qui est refoulé par tour dans des conditions de fonctionnement définies. Les fuites internes, la compressibilité du fluide et les pertes de remplissage font que le volume de refoulement effectif s’écarte de la valeur théorique. Le volume de refoulement effectif est généralement légèrement inférieur au volume de déplacement géométrique, car les pertes par fuite doivent être compensées par un débit plus élevé. Le rapport entre ces deux grandeurs est établi par le rendement volumétrique.

Le rôle du rendement volumétrique

Le rendement volumétrique décrit le rapport entre le débit volumique effectivement refoulé et le débit volumique théoriquement possible, qui résulte du volume de refoulement géométrique et de la vitesse de rotation. Il indique la part du débit théorique que la machine hydraulique fournit réellement. Les pompes à pistons axiaux modernes atteignent des rendements volumétriques supérieurs à 95 %, tandis que les pompes à engrenages se situent, selon leur type de construction et la pression de service, dans une fourchette de 85 à 95 %. Un rendement volumétrique élevé signifie que la pompe fonctionne à un niveau proche de son volume de refoulement géométrique et que les pertes internes sont faibles.

Volume de refoulement géométrique selon les différents types de construction

Chaque type de machine à déplacement positif génère son volume de déplacement géométrique d’une manière spécifique. Les différences de conception se reflètent dans les plages de valeurs typiques et les domaines d’application.

Pompes à engrenages

Dans les pompes à engrenages, le volume de refoulement géométrique résulte de la géométrie des engrenages, en particulier de la largeur, du diamètre et du nombre de dents. À chaque tour des roues dentées, le fluide est transporté du côté aspiration vers le côté refoulement. Les pompes à engrenages sont des pompes à débit constant; leur volume de refoulement géométrique est donc défini de manière fixe et ne peut pas être modifié en fonctionnement. Les valeurs typiques vont d’environ 1 cm³/tr pour les petites séries à 60 cm³/tr et plus pour les modèles plus grands. En raison de leur simplicité et de leur robustesse, les pompes à engrenages sont utilisées dans de nombreuses applications industrielles et mobiles.

Pompes à pistons axiaux

Les pompes à pistons axiaux génèrent leur volume de refoulement géométrique grâce au mouvement axial de plusieurs pistons dans des alésages cylindriques. Le nombre de pistons, leur diamètre et leur course déterminent la taille du volume de refoulement. Sur les pompes à débit variable équipées d’un disque pivotant ou d’un disque incliné, la course et donc le volume de refoulement géométrique peuvent être réglés en continu, ce qui permet d’obtenir un débit variable à vitesse de rotation constante. Les volumes de refoulement typiques se situent entre 10 et 500 cm³/tr. Les pompes à pistons axiaux sont utilisées dans des applications qui exigent des pressions élevées et une régulation précise, comme dans les presses à injection ou les presses mécaniques.

Pompes à pistons radiaux

Les pompes à pistons radiaux disposent leurs pistons en étoile autour d’un arbre excentrique. Le volume de refoulement géométrique résulte du nombre de pistons, du diamètre des pistons et de la course de l’excentrique. Les pompes à pistons radiaux se caractérisent par des pressions de service très élevées, pouvant dépasser 400 bars. Leur volume de refoulement varie d’environ 20 à 1 000 cm³/tr. Elles sont principalement utilisées dans les installations fixes à haute pression, par exemple dans les machines-outils et les bancs d’essai.

Pompes à palettes

Les pompes à palettes utilisent des palettes rotatives qui tournent dans un carter excentrique, créant ainsi des chambres alternativement agrandies et réduites. Le volume de refoulement géométrique dépend de la largeur du rotor, de la distance excentrique et du nombre de palettes. Les pompes à palettes fonctionnent de manière relativement silencieuse et fournissent un débit régulier. Leur volume de refoulement varie entre 1 et environ 50 cm³/tr. Elles conviennent aux applications à pressions de service modérées, comme la lubrification ou les circuits de refroidissement.

Pompes à débit constant et pompes à débit variable

Le volume de refoulement géométrique diffère fondamentalement entre les pompes à débit constant et les pompes à débit variable. Les pompes à débit constant ont un volume de refoulement fixe et invariable. Le débit volumétrique ne peut être régulé que par la vitesse de rotation du moteur d’entraînement. Les pompes à débit variable, en revanche, permettent d’ajuster le volume de refoulement pendant le fonctionnement. Sur les pompes à pistons axiaux à débit variable, cela s’effectue en modifiant l’angle d’inclinaison du disque oblique; sur les pompes à pistons radiaux à débit variable, par le réglage de l’excentricité. Le réglage peut être commandé de manière hydraulique, électrohydraulique ou électronique. Les pompes à débit variable offrent l’avantage d’adapter le débit en fonction des besoins et d’économiser ainsi de l’énergie, car le fluide non refoulé ne doit pas être évacué par des soupapes de pression.

Importance pour les moteurs hydrauliques

Pour les moteurs hydrauliques, le volume de refoulement géométrique est considéré comme le volume d’aspiration. Il décrit le volume de fluide que le moteur aspire par tour pour effectuer un travail mécanique. Un volume d’aspiration plus important génère un couple plus élevé à pression égale, tandis qu’un volume d’aspiration plus faible permet d’atteindre une vitesse de rotation plus élevée à débit volumique égal. Les moteurs à cylindrée variable adaptent leur volume d’aspiration à l’état de charge et combinent ainsi des couples élevés au démarrage avec des vitesses de rotation plus élevées en charge partielle. Cette flexibilité les rend indispensables dans des applications telles que les treuils, les entraînements de treuils de translation et les mélangeurs.

Influence sur la conception et l’efficacité du système

Le volume de refoulement géométrique est un paramètre central dans la conception des systèmes hydrauliques. Il influence directement le débit théorique, qui résulte du produit du volume de refoulement et de la vitesse de rotation. En même temps, il détermine le couple qu’une machine hydraulique peut fournir ou absorber à une pression donnée. Les concepteurs choisissent donc le volume de refoulement de manière à ce que la puissance requise soit atteinte à une vitesse de rotation économique et à une pression de service admissible.

Efficacité énergétique et mécanismes de perte

L’écart entre le volume de refoulement géométrique et le débit réel est dû à divers mécanismes de perte. Les fuites internes entre le côté refoulement et le côté aspiration, appelées pertes par fente, réduisent le débit effectif. Les effets de compressibilité du fluide hydraulique jouent un rôle particulièrement important à des pressions de service élevées. De plus, un remplissage incomplet des chambres de refoulement à des vitesses de rotation élevées peut entraîner des pertes de remplissage. Une conception minutieuse des cotes d’ajustement, le choix de joints adaptés et le respect des conditions de fonctionnement spécifiées par le fabricant permettent de minimiser ces pertes et de maintenir le rendement volumétrique à un niveau élevé.

Normalisation et désignation

La normalisation du volume de refoulement géométrique s’inscrit dans le cadre de différentes normes ISO. La norme ISO 3662 régit les méthodes d’essai pour les pompes hydrauliques et définit les conditions-cadres dans lesquelles le volume de refoulement est mesuré. La norme ISO 4391 définit les termes et les symboles graphiques relatifs aux pompes et moteurs hydrostatiques, y compris la notation du volume de refoulement géométrique. Dans les fiches techniques et les catalogues des fabricants, le volume géométrique de refoulement est généralement désigné par le symbole Vg et exprimé en cm³/tr. Cette désignation uniforme facilite la comparaison entre des machines de différents fabricants et de différents types.

Aspects pratiques du choix

Lors du choix d’une pompe hydraulique ou d’un moteur hydraulique, la décision d’opter pour un volume de refoulement géométrique donné dépend de plusieurs facteurs. Le débit volumique requis, l’espace d’installation disponible, la vitesse de rotation admissible et la pression de service maximale déterminent la taille de la pompe. Dans la pratique, les concepteurs travaillent souvent avec des séries proposant le même format de carter avec différents volumes de refoulement. Cela permet d’adapter le volume de refoulement à l’application concrète au sein d’une même série, sans modifier les cotes de raccordement ni la configuration de montage. HK Hydraulik propose une large gamme de pompes et de moteurs avec différents volumes de refoulement, adaptés à de multiples exigences industrielles.

Résumé

Le volume de refoulement géométrique est une grandeur fondamentale en hydraulique qui caractérise la taille et les performances d’une machine à déplacement positif. En tant que grandeur purement déterminée par la conception, il sert de base au calcul du débit volumétrique, du couple et de la puissance. La différence par rapport au volume de course effectif est décrite par le rendement volumétrique, qui quantifie les pertes internes d’une machine hydraulique. Le choix du volume de refoulement géométrique approprié est déterminant pour l’efficacité énergétique et le bon fonctionnement de l’ensemble du système hydraulique.