Pompe à engrenages

Une pompe à engrenages déplace un liquide avec deux roues dentées qui s'engrènent dans un carter très ajusté. Là où les dents se séparent, le liquide entre dans les creux entre elles ; il fait le tour de chaque roue par l'extérieur et ressort là où les dents s'engrènent de nouveau. Johannes Kepler conçoit une pompe à engrenages sans clapets pour vider les mines : en 1602, il en commande un modèle en laiton à deux artisans d'Augsbourg, qui ne le livrent jamais, et Jost Bürgi en réalise un en 1604 ; un livre imprimé à Lyon en 1719 en décrit une, plongée dans un puits et entraînée par une roue tournée à la main pour élever l'eau. Les pompes à engrenages font aujourd'hui circuler l'huile des moteurs, alimentent en carburant et animent l'hydraulique des tracteurs et des engins de chantier.

Ce que c’est

Une pompe à engrenages est une pompe sans clapet ni piston. Deux roues dentées de même taille s’engrènent l’une dans l’autre à l’intérieur d’un carter qui épouse le sommet de leurs dents et leurs faces planes. L’une des roues est calée sur un arbre qui sort du carter et que fait tourner une manivelle, un moteur électrique ou un moteur thermique ; elle entraîne l’autre. Un tuyau débouche dans le carter d’un côté de l’endroit où les dents se rencontrent, un autre en part de l’autre côté.

C’est une pompe volumétrique : à chaque tour, elle débite à peu près le même volume de liquide, celui des creux entre les dents, si bien que son débit suit la vitesse de l’arbre. Elle fonctionne au mieux avec des liquides assez épais pour remplir les petits jeux entre les pièces mobiles, comme l’huile. Elle élève aussi l’eau, comme la pompe décrite en 1719, et elle peut aspirer un liquide par un tuyau d’aspiration aussi bien que le refouler dans un tuyau montant.

Comment ça marche

Vue de face, avec l’entrée sous le point d’engrènement et la sortie au-dessus, la roue de gauche tourne dans le sens des aiguilles d’une montre et celle de droite en sens inverse. Au milieu, les dents des deux roues descendent ensemble. En bas, elles sortent de prise : chaque dent quitte le creux qu’elle occupait dans l’autre roue, l’espace s’y agrandit et le liquide venu de l’entrée le remplit.

Chaque creux entre deux dents est alors fermé par la paroi du carter et emporte sa petite charge de liquide vers le haut, en faisant le tour de sa roue par l’extérieur : la roue de gauche le long de la paroi gauche, celle de droite le long de la paroi droite. En haut, les dents rentrent en prise. Chaque dent pénètre dans un creux de l’autre roue et en chasse le liquide, qui n’a d’autre issue que la sortie. Il ne peut pas revenir par le milieu, car les dents en prise ferment le passage. Si l’on tourne l’arbre dans l’autre sens, la pompe travaille à l’envers et la sortie devient l’entrée.

Une pompe à engrenage intérieur : un petit pignon entraîne une couronne dentée à l’intérieur, et un croissant fixe ferme l’espace entre eux.

La pompe fuit un peu à l’intérieur, par les jeux étroits entre le sommet des dents et le carter et le long des faces des roues. La fuite augmente avec la pression de sortie et avec les liquides plus fluides, d’où des pompes à engrenages usinées avec précision et bien adaptées à l’huile. Là où l’arbre sort du carter, un presse-étoupe ou un joint retient le liquide. Comme chaque tour chasse un volume fixe, une pompe à engrenages dont la sortie est bouchée fait monter la pression jusqu’à ce qu’un tuyau ou une pièce cède ; les circuits hydrauliques qui en sont équipés ont donc aussi un limiteur de pression qui s’ouvre et renvoie le liquide au réservoir. Un second type, la pompe à engrenage intérieur, place un petit pignon dans une couronne dentée à l’intérieur. Les deux sont décentrés : leurs dents s’engrènent d’un côté et s’écartent de l’autre, où un croissant fixe comble l’espace qui les sépare. Le liquide voyage dans les creux le long des deux faces du croissant, comme il fait le tour du carter dans la pompe extérieure.

Comment faire

Cette maquette transparente montre le liquide qui fait le tour des roues. Il faut deux pignons droits identiques en plastique, achetés en magasin de modélisme, d’environ 4 cm de diamètre et percés pour un axe de 4 mm, une plaque de contreplaqué ou d’acrylique exactement aussi épaisse que les pignons, deux plaques d’acrylique transparent de 3 mm de même taille, une mèche Forstner d’environ 1 mm de plus que le diamètre extérieur des pignons, une perceuse sur support, de la tige d’acier de 4 mm, de la colle époxy, huit petits boulons avec écrous, du tuyau plastique transparent de 6 mm, de la vaseline, une baguette de bois pour la manivelle, deux gobelets et de l’eau teintée au colorant alimentaire.

La manivelle fait tourner les pignons, et l’eau colorée monte du gobelet du bas vers celui du haut.

Posez les deux pignons sur la table, dents en prise, et mesurez la distance entre les centres de leurs trous. Marquez deux points à cette distance sur la plaque du milieu et percez un trou à la mèche Forstner sur chacun, de sorte que les deux trous se chevauchent en forme de huit. Les pignons doivent y tourner sans frotter la paroi. Serrez les trois plaques ensemble et percez des trous de 4 mm à travers toutes aux deux centres. Dans la plaque arrière, percez un trou juste sous le milieu du huit et un autre juste au-dessus, et collez un bout de tuyau dans chacun. Collez un pignon sur une longue tige et l’autre sur une courte. Enduisez de vaseline les deux faces de la plaque du milieu, mettez les pignons en place et boulonnez les trois plaques autour de la cavité, la longue tige sortant par l’avant. Collez la manivelle au bout de la longue tige.

Remplissez la cavité d’eau par le tuyau du haut, plongez le tuyau du bas dans l’eau colorée et menez le tuyau du haut jusqu’au second gobelet, placé plus haut. Tournez la manivelle de façon que les dents du milieu descendent. Après quelques tours, l’eau colorée monte dans le tuyau, et on la voit faire le tour de chaque pignon par l’extérieur. Tournez dans l’autre sens et l’eau redescend.

Sécurité. Bridez solidement l’acrylique sur le support de la perceuse et portez des lunettes de protection : une mèche Forstner peut accrocher la plaque et la faire tourner, ou la fendre et projeter des éclats coupants.

Histoire et évolution

Johannes Kepler écrit qu’il travaille depuis 1597 à une pompe sans clapets, qui agit en tournant en rond au lieu de s’arrêter et de repartir comme une pompe ordinaire. Le 24 octobre 1602, à Prague, il signe un accord avec Hans et Balthasar Miller, deux frères d’Augsbourg, qui doivent en achever un modèle en laiton en deux mois environ ; Kepler leur avance 27 florins, et le modèle n’est jamais livré. Dans une lettre datée du 22 décembre 1604, il rappelle un premier modèle fait en bois et annonce que le fabricant d’instruments Jost Bürgi en a construit une version en laiton. Fritz Staudacher, historien de Bürgi, date lui aussi de 1604 le prototype en métal de Bürgi et décrit la machine comme une pompe à engrenages destinée à pomper l’eau des galeries de mine. L’Office allemand des brevets et des marques attribue de même à Kepler une pompe à engrenages sans clapets, conçue pour un propriétaire de mine qui devait en évacuer l’eau. Une pompe à engrenages figure aussi dans un livre imprimé à Lyon en 1719, où Gaspard Grollier de Servière décrit le cabinet de machines et de modèles laissé par son grand-père Nicolas. Parmi les machines à élever l’eau, l’une est présentée comme très simple, pour monter l’eau d’un puits ou d’un réservoir à une hauteur considérable. Deux pignons massifs, de bois ou de métal, remplissent une caisse ovale où ils tournent librement en s’engrenant l’un dans l’autre. La caisse est plongée dans l’eau et fermée partout, sauf en bas, par où l’eau entre, et en haut, d’où part un tuyau.

La machine du cabinet Servière : deux pignons dans une caisse ovale sous l’eau, entraînés par une roue tournée à la main au-dessus du puits, poussent l’eau dans un tuyau.

Un homme tournait une grande roue à l’aide d’une poignée, et des axes coudés reliés par une pièce de fer faisaient tourner l’un des pignons. Le texte explique que l’eau prise entre les dents au bas de la caisse est portée jusqu’en haut, où l’eau qui ne cesse d’arriver la presse dans le tuyau, et qu’elle ne peut pas repartir par où elle est venue. Thomas Ewbank reproduit la figure dans une histoire des machines à élever l’eau publiée à New York en 1850. Il y ajoute un tuyau d’aspiration, fait sortir l’arbre de la caisse par un presse-étoupe ou un collet de cuir, range cette pompe parmi les plus anciennes et les meilleures des pompes rotatives, et note qu’on la croyait plus ancienne que la collection qui l’a conservée. Il rapporte aussi que la face des dents était parfois rainurée pour recevoir des bandes de cuir qui fermaient les jeux, et que la machine à vapeur rotative de William Murdoch reprenait la même disposition.

Pour travailler contre une forte pression, une pompe à engrenages demande des roues et des alésages métalliques usinés à faible jeu. Compactes, faites de peu de pièces et tolérantes envers les liquides épais, les pompes à engrenages servent aujourd’hui de pompes à huile et à carburant dans les moteurs et de pompes hydrauliques sur les tracteurs et les engins de chantier, où elles alimentent les vérins d’un bras hydraulique. La pompe à engrenages emploie les mêmes engrenages que les horloges et les moulins pour faire le travail d’une pompe à piston, sans clapet.