Cours CT1 - TSI Ljf.html

AF Approche fonctionnelle Cours AF 1 Circuit hydraulique et pneumatique
Lycée Jules Ferry Cannes Page 1 sur 15 TSI1
Problème technique : Comprendre et optimiser les systèmes hydrauliques et pneumatiques
Analyser
Modéliser
Résoudre
Expérimenter
Concevoir
Réaliser
Communiquer
Appréhender les analyses fonctionnelle et structurelle
%
Savoirs faires associés
Question(s)
bilan
Identifier les fonctions techniques
Déterminer les constituants dédiés aux fonctions d’un système et en justifier le choix Identifier les architectures
fonctionnelles et structurelles
Identifier la nature des flux échangés (Matière, Énergie, Information) traversant la frontière d’étude
Préciser leurs caractéristiques (variable potentielle, variable flux)
Identifier et décrire les chaînes d’information et d’énergie d’un système Identifier les constituants réalisant les
fonctions : acquérir, traiter, communiquer, alimenter, distribuer, moduler, convertir, transmettre et agir.
Identifier la nature et les caractéristiques des flux échangés
Vérifier l’homogénéité et la compatibilité des flux entre les différents constituants
Analyser
Modéliser
Résoudre
Expérimenter
Concevoir
Réaliser
Communiquer
Rechercher et traiter des informations
%
Savoirs faires associés
Question(s)
bilan
Lire et interpréter un schéma
Cours
Leçon
C 1CT1
TSI1
TSI2
Etude des systèmes hydrauliques
et pneumatiques
X
Période
1
2
3
4
5
Cycle :
Communication technique
Durée
1 h
X

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Lycée Jules Ferry Cannes Page 2 sur 15 TSI1
Les systèmes complexes qui utilisent de l'énergie pneumatique ou hydraulique sont notamment les
automatismes industriels.
L'hydraulique est également beaucoup utilisée lorsque les efforts
en jeu sont importants (freinage, levage…).et le pneumatique
pour ses circuits ouverts.
1 Structure fonctionnelle :
composants hydrauliques et pneumatiques
Alimenter
en énergie
Distribuer
l'énergie
Convertir l'énergie
fluidique en énergie
mécanique
centrale hydraulique
ou pneumatique
électrovanne
distributeur
vérin ou moteur
pneumatique ou
hydraulique
Chaine d'énergie
Chaine d'information
Adapter
transmettre
Agir sur
la matière
d'oeuvre
mécanisme
Matière
d'œuvre
entrante
………
………
Traiter les
informations
Acquérir
IHM : Interface Homme Machine
capteurs / module d'entrée
unité centrale
………………
IHM : Interface Homme Machine
module de sortie
Communiquer
Consignes de l'utilisateur /
Information en provenance
d'un autre système
Messages vers
l'utilisateur ou vers
un autre système
Figure 1 : chaine d'énergie pneumatique ou hydraulique et sa chaine d'information
Matière
d'œuvre
sortante
………
………

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L'énergie pneumatique ou hydraulique est caractérisée par 2 grandeurs:
- le débit, noté Q, caractérise la quantité de fluide qui se déplace.
Le débit est une "grandeur flux" : sa mesure impose de "couper" le flux transitant par le
circuit afin de placer le débitmètre (comme un ampèremètre).
Unité SI : m3/s. Unité usuelle ; litre par minute (L/min).. (1 L/min ≡ 1,7 10-5 m3/s)
- la pression, noté p, caractérise la capacité du fluide à se déplacer.
La pression représente l'effort du fluide (exprimé en N) par unité de surface (exprimée en m2) :
1Pa=1N/m2. Cette unité très petite est souvent remplacée par le MPa.
Unité SI : le Pascal (Pa), Unité usuelle : bar.
La pression est une "grandeur potentielle" : sa mesure se fait en branchant le
manomètre en parallèle, nécessite une référence (comme un voltmètre).
La pression relative (voire manométrique) a comme référence la pression atmosphérique.
C'est la pression couramment utilisée pour les systèmes industriels.
La pression absolue a comme référence le vide absolu (sans matière):
pabsolue=prelative+patmosphérique
La pression absolue est utilisée lorsque le problème fait intervenir des dépressions ou un
environnement dépressurisé (météorologie, générateur de vide).
La pression atmosphérique (absolue) vaut environ : 1bar ≡ 0,1 MPa ≡ 105 Pa.
La chaîne d'information utilise généralement de l'énergie électrique.
Dans certains cas typiques (atmosphère explosive notamment), la chaine d'information peut utiliser une
énergie de même nature que la chaîne d'énergie. L'unité centrale est alors constituée d'une logique
câblée pneumatique ou hydraulique. La différence essentielle entre les deux chaines est le niveau des
pressions relatives mises en jeu (voir le tableau suivant).
Energie électrique
Energie
pneumatique
Energie hydraulique
Chaîne d'énergie
220 V
6 bar
250 bar
Chaîne d'information
24 V
3 bar
10 bar
Figure 2 : ordre de grandeur des niveaux d'énergie dans les applications industrielles.
Electrique
Pneumatique
Hydraulique
Avantage
- disponibilité de l'énergie
- faible investissement
- temps de réponse
- interface avec la
commande
- vitesse importante en
rotation
- maintenance facile
- commande simple
(souvent tout ou rien)
- démarrage en charge
- vitesse importante
- rapport
poids/puissance
- charge importante
- précision position
- démarrage en charge
- vitesses lentes
Inconvénient
- démarrage en charge
parfois problématique
- position imprécise (air
compressible)
- efforts limités
- maintenance délicate
- cher
- dangereux (pression
élevée)
- vitesses lentes
Exemple
d'utilisation
- usages domestiques
- systèmes à déplacement
rapide
- automatisme industriel
- outillage grande vitesse
- véhicule avec charge
lourde
- machine outil
Figure 3 : Avantages et inconvénients des différents types de source d'énergie

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Figure 4 : Corps du vérin
2 Fonction "convertir l'énergie pneumatique ou hydraulique en
énergie mécanique"
2.1 Conversion en énergie mécanique de translation
Pour obtenir une translation, les vérins sont les composants privilégiés.
2.1.1 Composants principaux d'un vérin :
Le corps : contient le fluide et permet sa circulation par des connexions
situés de chaque côté du cylindre.
Le piston : sépare le volume intérieur du corps en 2 volumes distincts que
l'on appelle les chambres (l'étanchéité est assurée par des joints). L'entrée du
fluide dans l'une ou l'autre des chambres conduit au déplacement du piston.
La tige du piston : permet de relier le piston à une pièce extérieure.
On rencontre des vérins sans tige (liaison magnétique) ou à 2 tiges (une de
chaque côté du piston).
Un vérin est caractérisé principalement par:
 le diamètre du piston (en m),
 le diamètre de la tige (en m),
 la course du piston.
2.1.2 Aspect extérieur des vérins les plus courants :
- cylindrique pour les petites dimensions (les flasques de part et d'autre du
cylindre sont sertis ou vissés dans le cylindre du corps),
- prismatique pour les grandes dimensions (les tirants métalliques qui
retiennent les flasques de chaque coté du cylindre sont intégrés ou non).
2.1.3 Deux grandes classes de vérins usuelles :
Vérin simple effet
Vérin double effet
Le retour du vérin en position se fait par le
ressort ou la charge.
Avantage : économique.
Inconvénient : encombrant, course réduite.
Utilisation : serrage, éjection, levage.
L'ensemble tige piston peut se déplacer dans les 2
sens par l'action du fluide.
L'effort est plus faible en tirant (rentrée de la tige)
qu'en poussant (sortie de tige).
Avantages : plus souple, réglage plus simple de la
vitesse.
Inconvénient : + cher que le vérin simple effet.
Utilisation : grand nombre d'applications industrielles.
Figure 7 : Diamètre du piston (D), diamètre de la tige (d)
Figure 8 : Course du piston (c)
La rentrée du piston est provoquée par
l'admission de fluide dans cette chambre
(à condition que le fluide situé dans
l'autre chambre puisse s'échapper).
La sortie du piston est provoquée par l'admission
de fluide dans cette chambre.
c
Figure 5 : Piston du vérin
Figure 6 : Tige du piston
de vérin
D
d
Figure 9 : Vérin cylindrique
Figure 10 : Vérin prismatique

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2.1.4 Caractérisation des flux d'énergie entrant et sortant
Puissance pneumatique ou hydraulique à
l'admission du vérin : Pe en W
Puissance mécanique de translation
disponible sur la tige du vérin : Ps en W
Pe= Q.p (*)
Q (en m3/s): débit de fluide admis dans le vérin
p (en Pa): pression du fluide à l'admission
Vérin
Ps=F.V
F(en N): force disponible tige-corps
V(en m/s): vitesse de la tige / corps
(* ) En circuit fermé, il faut enlever la puissance hydraulique au refoulement (pression pr, débit Qr): Qr.pr.
La puissance est toujours un produit entre une grandeur flux et une grandeur potentielle.
Q et F sont des grandeurs flux.
p et V sont des grandeurs potentielles.
2.1.5 Loi entrée – sortie
La surface projetée S du piston est au centre des lois entrée/sortie d'un vérin.
La surface projetée est la surface du piston en contact avec le fluide projetée dans la
direction de déplacement du vérin:
- en poussant (la tige du piston sort du vérin), la surface coté air
comprimé vaut    
S (en m²): surface projetée du piston, D (en m): diamètre du piston
- en tirant (la tige du piston rentre dans le vérin) la surface coté air
comprimé vaut    
S (en m²): surface projetée du piston,
D (en m): diamètre du piston,
d (en m) : diamètre de la tige.
Relation "cinématique"
Hypothèses :
- le fluide est considéré comme incompressible,
- aucune fuite au niveau des joints.
Q = V.S
Q (en m3/s) : débit entrant ou sortant de la chambre considérée du vérin
V (en m/s): vitesse linéaire du déplacement piston / corps
S (en m²) surface projetée selon la direction de déplacement piston / corps
Relation "statique"
Hypothèses :
- en régime permanent : lorsque le piston est à l'arrêt ou se déplace à vitesse constante.
F = (p.S – Fr)
F(en N): force exercée entre la tige et le corps,
p (en Pa) : pression à l'admission,
Fr (en N): force résistante interne au vérin.
Vérin simple effet : Fr=force du ressort de rappel (+ frottement)
Vérin double effet : Fr = pr.Sr (+ frottement)
pr (en Pa): pression au refoulement,
Sr (en m²): surface projetée du piston en contact avec le fluide
refoulé.
Figure 11 : Air comprimé
sur piston (en poussant)
Figure 12 :Air comprimé sur
piston (en tirant)