Systèmes hydrau. et pneum. - Ch.6 -LES RECEPTEURS PNEUMATIQUES ET HYDRAULIQUES ISET de Sousse Ch. 6 - LES RECEPTEURS PNEUMATIQUES ET HYDRAULIQUES Contenu Les récepteurs (1.5h) : Les vérins et les moteurs : principe de fonctionnement, Types, Caractéristiques (Calcul de flambement, choix, montage et démontage, calcul de la puissance hydraulique, le rendement, couple, effort). I - Introduction Dans une chaine de transmission d'énergie et principalement dans les systèmes à fluide sous pression parmi les composantes actives on s'intéresse dans ce chapitre aux actionneurs (pneumatique et hydraulique) La fonction globale d’un actionneur est de convertir une énergie d’entrée disponible sous une certaine forme en une énergie de sortie utilisable pour obtenir un effet donné. Un actionneur transforme donc la nature de l’énergie Comparaison Energie pneumatique/Energie hydraulique Avantages Inconvénients Exemples d'utilisation Energie pneumatique - production: air disponible partout et en quantité illimitée. - transport aisé dans des conduites bon marché. - composants peu couteux. - maintenance facile. - commande simple. - démarrage en charge. - réglage simple. - vitesse importante. - source d'énergie exigeant un excellent conditionnement (filtration) - position imprécise (gaz compressible) - efforts limités (pression d'utilisation de 3 à 10 bars) - automatisme industriel - outillage à grande vitesse Energie hydraulique - rapport poids/puissance - charge importante - précision position - démarrage en charge - réglage simple - maintenance délicate - couteux - risque d'accidents (pression élevée) - vitesses lentes - véhicule avec charge importante - machine outil Les actionneurs transforment l’énergie d’un fluide sous pression en énergie mécanique (mouvement avec effort). Ils peuvent soulever, pousser, tirer, serrer, tourner, bloquer, percuter, … Exemples d'utilisation Figure 1 : exemples d'utilisation de vérins 77 Systèmes hydrau. et pneum. - Ch.6 -LES RECEPTEURS PNEUMATIQUES ET HYDRAULIQUES ISET de Sousse Leur classification tient compte de la nature du fluide, pneumatique ou hydraulique, et du mode d’action de la tige : simple effet (air comprimé admis sur une seule face du piston), double effet (air comprimé admis sur les deux faces du piston)… A - LES RECEPTEURS PNEUMATIQUES 1.Actionneurs pneumatiques L’actionneur encore appelé organe moteur, sert à transformer une énergie pneumatique en travail mécanique. Elaboré dans la partie commande, le signal de sortie est ensuite dirigé vers des préactionneurs qui, à leur tour, pilotent les actionneurs. Les actionneurs pneumatiques sont classés en deux groupes selon que leur mouvement est rectiligne ou rotatif : - mouvement rectiligne (mouvement linéaire ) - vérin simple effet - vérin double effet - mouvement rotatif - moteur pneumatique - vérin oscillant Les actionneurs pneumatiques convertissent l’énergie de puissance pneumatique en énergie mécanique de translation, de rotation ou d’aspiration. Leurs principales caractéristiques sont : la course, la force et la vitesse. Parmi les actionneurs pneumatiques, on retrouve principalement les vérins, les moteurs et les ventouses. Typologie des énergies d'entrée et de sortie ENERGIE D'ENTREE pneumatique ENERGIE DE SORTIE mécanique hydraulique mécanique ACTIONNEURS Vérin pneumatique linéaire Vérin pneumatique rotatif Moteur pneumatique Ventouse Vérins hydrauliques Moteurs hydrauliques 2. Les principaux types de vérins Les vérins sont classés par type et par fonction. La figure ci-dessous, montre un aperçu de la classification d’actionneurs pneumatiques. 78 Systèmes hydrau. et pneum. - Ch.6 -LES RECEPTEURS PNEUMATIQUES ET HYDRAULIQUES ISET de Sousse 2.1. Les vérins à simple effet (VSE) L’ensemble tige-piston se déplace dans un seul sens sous l’action du fluide sous pression. Le retour est effectué par un autre moyen que l’air comprimé : ressort, charge, … Pendant le retour, l’orifice d’admission de l’air comprimé est mis à l’échappement. Les vérins à simple effet ne sont alimentés en air comprimé que d’un seul côté. Ils ne peuvent donc fournir un effort que dans un seul sens. Le rappel de la tige du piston est assuré par un ressort incorporé ou par une force extérieure. Le ressort est dimensionné de manière à ramener le plus rapidement possible le piston dans sa position initiale. Le vérin à simple effet est doté d’un joint de piston simple, monté sur le côté où s’applique la pression. L’étanchéité est assurée par un matériau flexible (perbunan) encastré dans un piston métallique ou en matière plastique. Pendant le mouvement les bords d’étanchéité glissent à la surface du cylindre. Figure 1 : exemples de vérins à simple effet La course du vérin à simple effet est fonction de la longueur du ressort. De ce fait, les vérins à simple effet ne dépassent jamais 80 mm environ. a) - Principe de réalisation Avantages : les vérins simple effet sont économiques, simples de commande, mouvement de retour par ressort ou par la charge et la consommation de fluide est réduite. Inconvénients : à course égale, ils sont plus longs que les vérins double effet ; la vitesse de la tige est difficile à régler en pneumatique et les courses proposées sont limitées (jusqu’à 100mm). Utilisation : travaux simples (serrage, éjection, levage, emmanchements, …) Force statique développée Fs : il faut tenir compte de la force Rc du ressort comprimé, d’où: FS p . S RC Figure 3 : Force statique développée par un VSE en fin de sortie de tige 79 Systèmes hydrau. et pneum. - Ch.6 -LES RECEPTEURS PNEUMATIQUES ET HYDRAULIQUES ISET de Sousse b) - Principes de réalisation et symboles normalisés Vérin simple effet classique, rappel par ressort Vérin simple effet à membrane, rappel par ressort Vérin simple effet plat à diaphragme Vérin à simple effet à soufflet Fig. : Principaux types de vérins simple effet Exemples d'utilisation du vérin à soufflet : Figure 4 : Utilisation du vérin à soufflet 2.2. Vérins à double effet (VDE) L’ensemble tige-piston peut se déplacer dans les deux sens sous l’action du fluide sous pression (air comprimé). L’effort en poussant (sortie de la tige) est légèrement plus grand que l’effort en tirant (entrée de la tige) car la pression n’agit pas sur la partie de surface occupée par la tige. 80 Systèmes hydrau. et pneum. - Ch.6 -LES RECEPTEURS PNEUMATIQUES ET HYDRAULIQUES ISET de Sousse Figure 5: Vérin à double effet a) - Principe de réalisation Avantages : plus grande souplesse d’utilisation; réglage plus facile de la vitesse, par contrôle du débit à l’échappement; amortissements de fin de course, réglables ou non, possibles dans un ou dans les deux sens. Ils offrent de nombreuses réalisations et options. Inconvénients : ils sont plus coûteux. Utilisation : ce sont les vérins les plus utilisés industriellement, ils présentent un grand nombre d’applications. Figure 6: Vérin double effet à amortissement non réglable Figure 7 : Vérin double effet à amortissement réglable Si des blocs en élastomère suffisent lorsque l’énergie à amortir est modérée, les dispositifs avec tampons amortisseurs sont recommandés aux plus hautes énergies. Dès que le tampon entre dans son alésage, le fluide à l’échappement est obligé de passer par l’orifice B plus petit, au lieu de l’orifice A. La réduction du débit provoque une surpression créant l’amortissement. b) - Constitution d'un vérin double effet Le vérin se compose d’un cylindre, d’une culasse avant, d’une culasse arrière, d’un piston avec joint, d’une tige de piston, d’un coussinet, d’un joint racleur, d’un certain nombre de pièce de liaison et de joints. Le cylindre est généralement constitué d’un tube en acier étiré sans soudure. Pour augmenter la longévité les surfaces de glissement de cylindre sont généralement superfines. Dans certains cas, le cylindre en alliage d’aluminium, en laiton ou en tube d’acier, la surface de glissement est alors chromée dur. 81 Systèmes hydrau. et pneum. - Ch.6 -LES RECEPTEURS PNEUMATIQUES ET HYDRAULIQUES ISET de Sousse Figure 8 : Eléments d'un vérin double effet avec amortissement non réglable Principe du réglage de débit Figure 9 : Eléments d'un vérin double effet avec amortissement réglable 3 - Caractéristiques des vérins 3.1. Efforts théoriques exercés : A partir de la pression d’utilisation, on calcule les efforts théoriquement développables en sortie ou en entrée de tige. Effort en poussant Effort en tirant Figure 10 82 Systèmes hydrau. et pneum. - Ch.6 -LES RECEPTEURS PNEUMATIQUES ET HYDRAULIQUES p ISET de Sousse F, π p , alors : F , p . S , p . D 2 d 2 S 4 , , avec F F théorique F π , alors : F p . S p . D 2 S 4 avec F Fthéorique 3.2. Rendement : Les frottements internes au vérin (joints d’étanchéité et bagues de guidage) amènent une perte d’énergie et une baisse du rendement η (perte de 5 à 12 % pour les vérins pneumatiques de bonne construction). F Ffrottements F η théorique 1 frottements Fthéorique Fthéorique 3.3. Contre-pression d’échappement : Elle est employée pour régler et réguler (maintenir constante) la vitesse de la tige; le réglage est obtenu par des régleurs placés à l’échappement. Cette contre-pression, de 30 à 40 % de la valeur de la pression de démarrage en pneumatique, amène un effort antagoniste supplémentaire. Figure 11 : Les différentes pressions mises en jeu dans un vérin La courbe pA La courbe pB Cette courbe représente l’évolution de la pression dans la Sur la courbe pB figure l’évolution de chambre d’admission du côté opposé à la tige. la contre-pression dans la chambre à l’échappement du côté de la tige. La pression monte progressivement puis atteint le seuil maximal La pression chute de la valeur p à la valeur inférieur ou égal à la pression p. La pression au moment du de la contre-pression, se maintient à cette démarrage dépend de l’effort résistant à l’extrémité de la tige. valeur pendant la course puis devient nulle Puis la sortie de tige a lieu. La pression chute alors dans la très peu de temps après l’arrêt du vérin. chambre A et sa valeur va dépendre de la vitesse du vérin. En fin de course, la pression remonte à la valeur p. 83 Systèmes hydrau. et pneum. - Ch.6 -LES RECEPTEURS PNEUMATIQUES ET HYDRAULIQUES ISET de Sousse 4 . Dimensionnement des vérins 4.1. Méthode de calcul a) - bilan des efforts exercés Isolons l'ensemble piston et tige du vérin : Fthéorique = Fcharge + Ffrottement + Fcontre-pression Fcharge : effort nécessaire pour déplacer la charge seule (effort dynamique développé par le vérin). D'où : Fcharge = Fthéorique - (Ffrottement + Fcontre-pression) b) - Effort théorique : effort théoriquement exercé en poussant ou en tirant, calculé à partir de la pression d'utilisation En poussant (sortie du tige) Fthéorique p. S π. En tirant (rentrée du tige) F , théorique p. S , D2 4 π 2 D d 2 4 c) - Taux de charge t: Pour être certain d’utiliser le vérin dans de bonnes conditions, on définit le taux de charge t. C’est un paramètre qui tient compte à la fois des effets de la contre-pression et des frottements internes ; son emploi élimine les risques de broutements. F F t charge charge FS Fthéorique En pratique : 0,5 ≤ taux de charge t ≤ 0,75. Le taux de 0,5 est usuel. d) - détermination des diamètres du vérin Il va ensuite falloir choisir le diamètre parmi les diamètres normalisés. Deux solutions sont possibles : - soit on choisit un diamètre légèrement inférieur, et le taux de charge sera plus grand, - soit on choisit un diamètre légèrement supérieur, et le taux de charge sera plus petit. Mais à mêmes caractéristiques, un vérin de diamètre supérieur coûtera plus cher. Il faudra décider au cas par cas, en faisant en sorte que le taux de charge ne soit pas trop différent de celui spécifié par le cahier des charges. D(mm) d(mm) 8 4 10 4 12 6 16 6 20 10 25 32 40 50 63 80 12 12 18 18 22 22 Diamètres normalisés des vérins 100 30 125 30 160 40 200 40 250 50 4.2. Méthode des abaques Une autre méthode pour déterminer le diamètre d’un vérin consiste à utiliser les abaques du constructeur donnant les efforts dynamiques développés par le vérin en fonction de son diamètre et de la pression relative. 84 Systèmes hydrau. et pneum. - Ch.6 -LES RECEPTEURS PNEUMATIQUES ET HYDRAULIQUES ISET de Sousse Graphique. 1 Pour utiliser ces abaques, il faut choisir si le vérin travaille en « rentrée de tige » ou en « sortie de tige», et prendre l’abaque correspondant. Il faut définir le point de rencontre entre l’effort dynamique calculé et la pression d’alimentation. Le diamètre du vérin sera celui dont la courbe passe par ce point. Si le point est entre deux courbes, il faudra faire un choix comme précédemment entre un vérin plus petit, moins cher et dont le taux de charge sera supérieur à 0,5; et un vérin plus gros, plus cher, dont le taux de charge sera inférieur à 0,5. Il conviendra donc de recalculer le taux de charge. 5. Vérins spéciaux Ce sont des variantes des cas précédents et présentent les mêmes options possibles: amortissement, … Vérin rotatif l’énergie du fluide est transformée en mouvement de rotation; par exemple, vérin à double effet entraînant un système pignon-crémaillère. L’angle de rotation peut varier entre 90 et 360°. Les amortissements sont possibles. Vérin rotatif à crémaillère Vérin rotatif à palettes Multiplicateur de pression Souvent utilisé en oléopneumatique, il permet à partir d’une pression d’air (p en X), d’obtenir un débit d’huile à une pression plus élevée (p en Y : 10 à 20 fois plus élevée que p). Il est ainsi possible d’alimenter des vérins hydrauliques présentant des vitesses de tige plus précises. Vérin à tige télescopique Simple effet et généralement hydraulique, il permet des courses importantes tout en conservant une longueur repliée raisonnable. 85 Systèmes hydrau. et pneum. - Ch.6 -LES RECEPTEURS PNEUMATIQUES ET HYDRAULIQUES ISET de Sousse Vérin sans tige C’est un vérin double effet pneumatique. Il est deux fois moins encombrant qu’un vérin classique à tige l’espace d’implantation est divisé par 2. Propriétés : pas de rotation de la tige; vitesse de déplacement pouvant être élevées (3 m/s et plus); courses possibles très grandes (7 m et plus); pas de problème lié au flambage de la tige; efforts et vitesses identiques dans les deux sens mais étanchéité plus fragile. De nombreuses variantes et combinaisons sont possibles: assemblages croisés… Exemple d’un vérin double effet sans tige avec amortissement des deux côtés Vérin tandem Les vérins tandem, sont deux vérins couplés en série par une tige commune. Dans cette configuration, la force est presque doublée, ce qui constitue un avantage considérable dans les espaces restreints. Vérin double tiges Le muscle pneumatique En ce qui concerne sa fabrication, le muscle pneumatique ressemble beaucoup au vérin à soufflet. En alimentant le vérin en air comprimé, les fibres de la paroi du vérin se contractent, ce qui crée une force de traction entre les deux extrémités. Le muscle pneumatique peut exercer une force très élevé, la force et le déplacement du vérin sont proportionnel à la pression. 6. Les moteurs pneumatiques Il existe plusieurs moyens pour produire un mouvement de rotation continu à l’aide d’un débit d’air comprimé. Le plus courant est le moteur à palettes qui est fréquemment utilisé dans les outillages pneumatiques (visseuses, meuleuses, perceuses, clefs à chocs, etc.). Figure 12 : Exemple d'utilisation de moteurs pneumatiques Un moteur rotatif alimenté en air comprimé produit un mouvement de rotation dans un ou deux sens, à des fréquences pou- atteindre 30 000 tr/min et des puissances de 10 kW. Il en existe plusieurs types: à piston, à engrenage, à turbine. La technologie à palettes est la plus utilisée, en raison de ses nombreuses qualités. Son principe de fonctionnement est le suivant : l'air comprimé pénètre dans le moteur par l'orifice P et arrive dans une chambre d'admission, où il exerce une force motrice sur la palette la plus proéminente. 86 Systèmes hydrau. et pneum. - Ch.6 -LES RECEPTEURS PNEUMATIQUES ET HYDRAULIQUES ISET de Sousse Ainsi, le rotor tourne et l'air se détend. Dans le deuxième secteur du moteur, l'air des chambres à l'échappement se vide par l'orifice E. Figure 12 : Caractéristiques des moteurs pneumatiques Les principales qualités de ces moteurs sont les suivantes: – leur compacité et leur légèreté, avec un très bon rapport puissance/poids; – leur force motrice, régulière et modulable; – leur fort couple de démarrage; – leur fonctionnement discontinu, sans limitation de facteur de marche; – ils ne craignent pas les environnements poussiéreux, déflagrants ou humides; Echappement Alimentation sens Alimentation sens Figure 14: moteur à palettes à un sens de rotation Figure 15: moteur à palettes à deux sens de rotation Il existe d’autres types de moteurs pneumatiques commercialisés : - moteurs pneumatiques à pistons en étoile (vois ci-dessous) ; - moteurs pneumatiques à pistons à coulisseaux ; - moteurs pneumatiques à engrenage ; - moteurs pneumatiques à turbine. Figure 16: Principe d’un moteur pneumatique à pistons en étoile 87 Systèmes hydrau. et pneum. - Ch.6 -LES RECEPTEURS PNEUMATIQUES ET HYDRAULIQUES ISET de Sousse 7 - Les ventouses La préhension par ventouse est un moyen simple de saisir des pièces lisses. Elle est fondée sur l’effet venturi. Le passage de l’air dans le rétrécissement augmente la vitesse de l’air et diminue sa pression (p2 < p1). Il se crée alors une dépression qui permet d’aspirer l’air de la ventouse. Figure 17:Ventouse et son utilisation Ce sont des éléments de préhension souples destinés à être utilisés avec un générateur de vide. De matière, de forme et de diamètre différents elles permettent de répondre pratiquement à tous les cas d'applications de manutention. Domaines d'application : Les industries de l'agro-alimentaire, du verre, du bois. La prise de pièces en sortie de presse à injecter, l'imprimerie pour le brochage et le retournement de feuilles, le conditionnement de produits et le chargement de petits transferts rotatifs, le collage d'étiquettes sur des bouteilles ou flacons. B - LES RECEPTEURS HYDRAULIQUES Dans un circuit, les actionneurs (récepteurs) hydrauliques constituent l’outil indispensable pour convertir l’énergie hydraulique en énergie mécanique. Cette conversion se fait par des mouvements rotatifs (moteurs) ou par des mouvements de translation linéaire (vérins à simple ou à double effet). 1. Vérins hydrauliques Un vérin est l’élément récepteur de l’énergie dans un circuit hydraulique. Il permet de développer un effort très important avec une vitesse très précise. Ils utilisent l’huile sous pression jusqu’à 350 bars Par rapport aux vérins pneumatiques ils sont plus couteux et développent des efforts beaucoup plus important. Les vitesses de tige sont plus précises. 88 Systèmes hydrau. et pneum. - Ch.6 -LES RECEPTEURS PNEUMATIQUES ET HYDRAULIQUES ISET de Sousse 2. Les principaux types de vérins Vérins simple effet Symboles Schémas Vérins double effet Symboles Schémas L’ensemble tige piston se déplace dans un seul sens sous l’action du fluide sous pression. Le retour est effectué par un ressort ou une charge. Avantages : économique et consommation de fluide réduite. Inconvénients: encombrant, course limité. Utilisation : travaux simples (serrage, éjection, levage…) L'ensemble tige piston peut se déplacer dans les 2 sens par l'action du fluide (effort plus faible en tirant : rentrée de la tige). Avantages : plus souple, réglage plus simple de la vitesse. Inconvénient : plus cher que le vérin simple effet Utilisation : grand nombre d'applications industrielles. Vérin rotatif Vérins spéciaux Symboles Schémas Le mouvement de rotation est transmis à l’arbre par l’application de l’huile sous pression. L’amplitude du pivotement de l’arbre est limitée par des butées mécaniques réglables. L’angle maximal de rotation ne dépasse pas 360°. Ces actionneurs sont capables de transmettre un couple de rotation important. Vérin rotatif à crémaillère 89 Vérin rotatif à palettes Systèmes hydrau. et pneum. - Ch.6 -LES RECEPTEURS PNEUMATIQUES ET HYDRAULIQUES Vérin télescopique Symboles simple effet permet des courses importantes tout en conservant une longueur repliée raisonnable. Constitués par autant de pistons plongeurs de longueurs variables, en fonction de la course totale nécessaire. Les pistons plongeurs sont creux. Utilisation: Utilisés lorsque la place disponible est réduite et la course utile importante. Ces vérins sont utilisés sur les bennes de camion, les engins de travaux publics, … ISET de Sousse Schémas Simple effet Lorsque la commande est actionnée, le piston le plus gros sort le premier. Lorsqu’il est arrivé en fin de course, celui immédiatement audessus sort le deuxième; puis c’est le tour du troisième … Quand on commande la rentrée des tiges, la petite section rentre la première, puis la deuxième … Double effet 3. Dimensionnement des vérins Pour déterminer la pression (p) d’utilisation d’un vérin, il faut connaître: La force F nécessaire à développer. La section annulaire S. S = S1 - S2 π D2 π d2 S = S1 - S2 = 4 4 2 2 π D d S 4 S2 (d) S1 (D) Pour déterminer les vitesses de sortie et de rentrée du vérin : Notons : qv : le débit du fluide dans le vérin en [m3 /s] vi (1,2) : la vitesse de la tige du vérin en [m/s] vitesse de sortie de la tige (en poussant) : v 1 vitesse d'entrée de la tige (en tirant) : v 2 qv , S1 en [m2] S1 qv , S S en [m2] Puissance utile (mécanique) : Pu = Pméc c Pu Pu Travail W temps t F. c t , or W F .c c: course du tige du vérin avec v c : vitesse de la tige du vérin en [m/s] t Ce qui donne : Pu F .v avec Pu : puissance utile (mécanique) en Watt [W] F : effort utile du vérin en [N] v : vitesse de la tige du vérin en [m/s] 90 Systèmes hydrau. et pneum. - Ch.6 -LES RECEPTEURS PNEUMATIQUES ET HYDRAULIQUES ISET de Sousse Puissance absorbée (hydraulique) : Phyd Pour véhiculer de la puissance en hydraulique, l'huile hydraulique doit s'écouler sous pression. On a : F = p.S et v c : vitesse de la tige du vérin t le débit q v Phyd p . S. S . c volume S .v temps t c p . S .v t Phyd qv . p Rendement d’un vérin: η Compte tenu des frottements internes au vérin (joints d'étanchéité et bague de guidage) qui génèrent des pertes d'énergie et abaissent le rendement du vérin: η On note le rendement : Putile Pabsorbée Pméc Phydr. 4. Détermination des diamètres des vérins Méthode graphique (Effort-rendement-pression-diamètre) Exemple : Données Pression : 100 bar. Force : 1000 daN. Rendement : 0,9. On veut déterminer D et d en sortie et en rentrée du tige. Le diagramme indique en sortie de tige un vérin de diamètre 40 mm. Par mesure de sécurité (accélération de la masse perte de charge), il faut prendre en considération le vérin de diamètre supérieur (50) qui délivre une force de 1700 daN. Graphique .2 5. Vérification des tiges des vérins au flambage 5.1. Méthode de calcul Les tiges de vérin en compression sont des poutres soumises au flambage. En effet ce sont des cylindres dont l'élancement est important (grande longueur et section modérée) qui lorsqu'ils sont soumis à une sollicitation de compression présentent des risques de déformation brutale en flexion. 91 Systèmes hydrau. et pneum. - Ch.6 -LES RECEPTEURS PNEUMATIQUES ET HYDRAULIQUES ISET de Sousse portée Lf portée Lf portée Lf portée Lf Figure 18 : Tiges de vérins soumises aux efforts de flexion et au flambage - Pour dimensionner les tiges de vérin, on applique la formule de la charge critique d'Euler FC qui donne la charge maximum admissible en compression (instable) en fonction : 2 du module de Young E du matériau (E = 20 000 daN/mm pour l'acier). π d4 du moment quadratique de la section de la tige I(G,z) : ( I G , z ) 64 de sa longueur libre de flambage Lf = course.K, sur Fig. Le facteur K dépend du mode de fixation du vérin et du type de guidage de l'extrémité de la charge. Ces coefficients sont en général donnés sous forme de tableau par les constructeurs de vérins. π 2 . E . I G, FC z 2 Lf - Si on considère s : coefficient de sécurité (valeur usuelle = 3,5 pour les vérins), la condition de F résistance s'écrit : F C s π2 . E . I F Avec F : force développée par le vérin ce qui donne pour le diamètre de la tige : d 4 G, z 2 s . Lf 64 . s . F . L2f π 3.E 5.2. Méthode graphique Tenue au flambage La vérification de la tenue au flambage s’effectue en assimilant le vérin complètement ouvert à un cylindre du diamètre de la tige (critère de sécurité) : - sur la base de limites prévues pour la fixation mécanique du vérin sur la structure, lire le “facteur de course K” sur le tableau .1; - calculer la “longueur idéale Li” en multipliant le facteur K par la course effective du vérin (mm) : Li = c x K. - à partir du graphique.1 on trouve le point d’intersection de la valeur de longueur idéale Li et de la valeur de poussée maxi. (en N) prévue pour le vérin. - la tige répondant à la tenue au flambage est celle qui correspond à la courbe située immédiatement au-dessus du point d’intersection lue sur le graphique.1. K=4 Tableau.1: Facteur de course K 92 Systèmes hydrau. et pneum. - Ch.6 -LES RECEPTEURS PNEUMATIQUES ET HYDRAULIQUES ISET de Sousse Graphique.3 Fixations et montage des vérins Les vérins peuvent être montés de différentes manières selon le travail qu’ils sont appelés à fournir. Les fabricants proposent une gamme importante de fixations pour implanter les vérins. Deux fixations suffisent en général: une à l’avant en bout de tige (cas A, B, C) ou sur le fond (D, E, F) plus une à l’arrière (G, H, I) ou au milieu (J, J’, J’’). Suivant les fixations choisies, la position du vérin et les charges exercées, certains calculs de vérification (flambage, flexion...) peuvent devenir nécessaires. Figure 19 : Fixations et montage des vérins 93 Systèmes hydrau. et pneum. - Ch.6 -LES RECEPTEURS PNEUMATIQUES ET HYDRAULIQUES ISET de Sousse Exemple : Données Un vérin Ø125x70 fixé par bride AR et chape de tige. Le diagramme indique pour une force de 1000 daN une longueur libre de flambage de 8250 mm. Graphique .4 : Abaque longueur de flambage 6. Entraînements en rotation complète : Les entraînement en rotation complète, qu’on appelle communément « moteurs hydrauliques », sont des actionneurs rotatifs. Ils transforment l’énergie hydraulique en énergie mécanique par un mouvement de rotation continue. Les moteurs hydrauliques présentent trois caractéristiques : - le couple moteur - la vitesse de rotation. - la cylindrée 94 Systèmes hydrau. et pneum. - Ch.6 -LES RECEPTEURS PNEUMATIQUES ET HYDRAULIQUES ISET de Sousse Remarque : Ces moteurs entraînent des systèmes mécaniques. Si le couple résistant devient trop important, la pression monte. Quand elle atteint la valeur de réglage du limiteur de pression, le débit retourne au réservoir. Leur avantage c'est qu'ils développent une grande puissance pour un encombrement réduit. 6.1. Principaux types de moteurs hydrauliques et caractéristiques a) - Définition Les moteurs hydrauliques sont d'une technologie analogue à celle des pompes. Mais une spécificité des moteurs tient à leur vitesse d’utilisation qui peut être soit lente soit rapide. Il existe plusieurs technologies, principes et caractéristiques : on peut les classer d'après leurs différentes vitesses de rotation. On distingue : - Les moteurs lents à très forts couple (N 750tr/mn) - Les moteurs semi-rapides à couple élevés (N 1000 tr/mn) - Les moteurs dits rapides à vitesse de rotation élevée.(N >1000 tr/mn) b) - Types des moteurs hydrauliques Moteurs à palettes L’huile sous pression provoque la rotation des palettes implantées sur le rotor. Avantages : réalisation simple. Inconvénients : puissance transmise relativement faible. Moteurs à engrenages Les moteurs à engrenage sont une réplique des pompes volumétriques à engrenage : Avantages Ils sont de constitution simple et d'être le type de moteur le moins coûteux. Inconvénients :ils offrent un rendement volumétrique peu élevé. 95 Systèmes hydrau. et pneum. - Ch.6 -LES RECEPTEURS PNEUMATIQUES ET HYDRAULIQUES ISET de Sousse Moteurs à pistons axiaux Les pistons en communication avec la haute pression se déplacent en tournant et par une liaison rotule avec le tourillon obligent ce dernier à tourner. Avantages : couple très important, possibilité de varier la cylindrée, vitesse importante. Inconvénient: coûteux. Cy = 2r.n.s.tanα Moteurs à pistons radiaux Contrairement aux pompes à pistons radiaux, les pistons peuvent tourner sur une came (stator) permettant d’avoir plusieurs courses par tour. Le nombre des pistons est impair pour la continuité de débit et l’équilibrage. Possibilité d’avoir une distribution cylindrique ou plane du fluide Avantages : couple très important. Inconvénients : vitesse faible, encombrant, coûteux, problèmes d’étanchéité pour la distribution Cy = n.n’.c.S n: nombre des pistons n’ : nombre de courses par tour. c: course. S: section du piston. 6.2. Dimensionnement des moteurs hydrauliques Entrée du moteur qv moy r pe Ω ωx C Ph ps x Pm Sortie du moteur Un moteur hydraulique est caractérisé par certaines grandeurs : a) - Cylindrée :Vm Le volume de fluide aspiré ou refoulé par le moteur en l’absence des fuites, pendant une révolution de l’arbre principal. Unités : Vm : en [m3/tr] ou [l / tr]. b) - Débit - Le débit moyen entrant :(qv moy r ) Le volume moyen aspiré par unité de temps, connaissant la cylindrée ce débit est déterminé par : qv moy r , e Vm . N Avec : N : Fréquence de rotation en [tr/s]. Vm (Cy) : Cylindrée en [m3/ tr] qv moy r,e : débit moyen réel entrant dans le moteur en [m3/s] 96 Systèmes hydrau. et pneum. - Ch.6 -LES RECEPTEURS PNEUMATIQUES ET HYDRAULIQUES ISET de Sousse - Le débit moyen sortant du moteur (qv moy r, s ) : Le volume sortant par le moteur en pratique, mesuré par unité de temps. c) - Puissance - La puissance mécanique : (Pm ) Puissance fournie par l’arbre de sortie du moteur peut être donnée par les deux relations suivantes : Pm C . ω Avec : C : Couple moyen théorique en [Nm] ; ω : vitesse angulaire de l’arbre moteur en [rad /s] ; - La puissance hydraulique : (Ph ) Puissance fournie par le fluide à la sortie de la pompe donnée par : Ph qv moy r , e pe ps Avec : pe : pression à l'entrée du moteur en [ Pa ] ; ps : pression à la sortie du moteur en [ Pa ] ; Ph :puissance hydraulique en [W]; d)- Les rendements : Le fluide entre dans le moteur avec un débit qv moy r,e (débit réellement refoulé par la pompe), mais à la sortie du moteur le débit est qv moy r,s ˂ qv moy r,e , le débit excédentaire constitue le débit des fuites qf , d'où on a : qv moy r,e = qv moy r,s + qf - Le rendement volumétrique (ηv ): Compte tenu des fuites et de la compressibilité du fluide, le débit moyen sortant est toujours différent du débit réel rentrant, on définit ainsi un rapport : q q v moy r , s v moy r , s 1 ηv 1 q q q f v moy r , e v moy r , s qf 1 qv moy r , s q V .N v moy r , s m Avec : q v moy r , s Vm . N , soit η v q q v moy r , e v moy r , e - Le rendement global (ηg ): Le rendement global d’un moteur, traduit en terme de performance le rapport entre la puissance mécanique fournie par le moteur hydraulique et la puissance hydraulique fournie par la pompe. P η g m P h C.ω qv moy r ,e . pe ps C.ω qv moy r ,e . p - Le rendement mécanique (ηm ): V .N On a : q m v moy r , e η v En remplaçant dans l'expression précédente q et ω = 2 π N: v moy r , e 97 Systèmes hydrau. et pneum. - Ch.6 -LES RECEPTEURS PNEUMATIQUES ET HYDRAULIQUES η g Avec : ISET de Sousse C.ω C.ω C . 2π N C . 2π .η V .N V .N v qv moy r ,e . p V . p m . p m . p m η η v v η η .η g m v C . 2π η Donc : m V . p m e) - Le couple moteur Le moteur hydraulique est caractérisé par le moment du couple disponible sur son arbre C en [Nm]. V . p C m .η m 2π 6.3. Utilisation des abaques L'utilisation d’un abaque pour la détermination d’une caractéristique d'un moteur hydraulique. Connaissant deux paramètres, il permet de déterminer le troisième grandeur. Graphique. 5 Remarque : cet abaque peut être utilisé indifféremment pour les pompes ou les moteurs. 98 Systèmes hydrau. et pneum. - Ch.6 -LES RECEPTEURS PNEUMATIQUES ET HYDRAULIQUES ISET de Sousse 6.4. Réglage de la vitesse : Le réglage de la vitesse de rotation d’un moteur hydraulique se fait en agissant sur le débit d’huile utilisé. Pour régler ce débit, il est possible d’utiliser : Une pompe à débit variable : dans ce cas, le moteur seul doit être alimenté par la pompe. Un limiteur de débit : dans ce cas, le montage peut s’effectuer de deux façons différentes. 1er Cas : Réglage sur l’entrée du moteur Ce dispositif ne peut être utilisé seul, si le couple résistant risque de devenir moteur. L'excédent de débit est retourné au bac à la pression du limiteur de pression. Ce montage ne peut pas être utilisé seul, si le couple résistant peut devenir moteur à un instant quelconque. De même, pour obtenir une rotation régulière, surtout si la vitesse de rotation est assez faible et le moteur peu chargé, on peut être amené à le charger artificiellement par une soupape d'équilibrage. 2ème Cas : Réglage en sortie du moteur Ce dispositif quant à lui, peut être utilisé dans tous les cas, même si le couple devient moteur. L'excédent de débit est retourné au bac, à la pression du limiteur de pression. Ce montage reste valable si le couple résistant devient moteur. 99
