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AF Approche fonctionnelle Cours AF 1 Circuit hydraulique et pneumatique

Lycée Jules Ferry Cannes Page 1 sur 14 TSI1

Les systèmes complexes qui utilisent de l'énergie pneumatique ou hydraulique sont notamment les automatismes industriels. L'hydraulique est également beaucoup utilisée dans les véhicules surtout lorsque les efforts en jeu sont importants (freinage, levage…).

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

Compétences attendues: o Lire et interpréter un schéma (pneumatique ou hydraulique),

o Identifier les fonctions techniques

o Déterminer les constituants dédiés aux fonctions d’un système et en justifier le choix

o Identifier les architectures fonctionnelles et structurelles

o Identifier la nature des flux échangés (Matière, Énergie, Information) traversant la frontière d’étude

o Préciser leurs caractéristiques (variable potentielle, variable flux)

o Identifier et décrire les chaînes d’information et d’énergie d’un système

o Identifier les constituants réalisant les fonctions : acquérir, traiter, communiquer, alimenter, distribuer, moduler, convertir, transmettre et

agir.

o Identifier la nature et les caractéristiques des flux échangés

o Vérifier l’homogénéité et la compatibilité des flux entre les différents constituants

Matière d'œuvre sortante



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 absolue (sans matière): pabsolue=prelativ e+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 différent s types de source d'énergie



Figure 4 : Corps du vérin

2 Fonction "convertir l'énergie pneumatique ou hydr aulique 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 d u vérin

Figure 6 : Tige du piston de vérin

D

d

Figure 9 : Vérin cylindrique

Figure 10 : Vérin prismatique



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)



Unités usuelles parfois rencontrées Force : F en "Kg" (1kg ⟶ 10 N) Vitesse : V en km/h (1 m/s ≡ 3,6 km/h) Taux de charge On peut définir un rendement η (appelé aussi le taux de charge), pour quantifier les pertes en régime permanent dues:

- au frottement de la tige et du piston sur le corps, - à la résistance du fluide au refoulement ou du ressort de rappel (vérin simple effet), - au passage du fluide d'une chambre à l'autre (négligeable lorsque les joints sont en bon état).

η : rendement ou taux de charge du vérin, Ps: puissance mécanique disponible au niveau de la tige du vérin, Pe: puissance pneumatique ou hydraulique du fluide à l'admission.Le taux de charge peut dépendre des pressions et des débits (ordre de grandeur pour un vérin pneumatique η=0,6).

2.2 Conversion en énergie mécanique de rotation

2.2.1 Vérin rotatif ou moteur oscillant Afin d'obtenir une rotation en sortie, on peut utiliser un mécanisme de transformation de mouvement en sortie de vérin (l'amplitude de la rotation est alors limitée).

2.2.2 Moteur pneumatique ou hydraulique Si on souhaite une rotation continue, on utilise un moteur.

Figure 13 : vérin rotatif

Figure 14 : Exemple de moteur pneumatique (ou hydraulique) : moteur à palettes



2.2.3 Puissances dans un moteur pneumatique ou hydr aulique

2.2.4 Loi entrée – sortie pour un moteur pneumatiqu e ou hydraulique Relation "cinématique" Hypothèse : fluide incompressible, pas de fuite entre les chambres (d'autant moins vrai que les pressions augmentent).

Unité SI : . . .Ω Q (en m3/s): débit en sortie de pompe

(en m3/tr) : cylindrée (= volume déplacé par tour de pompe) Ω(en rad/s) : vitesse de rotation de la pompe. Unité usuelles Q= .N

Q (en L/min≡L/min): débit en sortie de pompe (en L/tr≡dm3/tr) : cylindrée (= volume déplacé par tour de pompe)

N (tr/min) :fréquence de rotation de la pompe. Relation "statique" Le lien entre p et Τ est donné par des abaques.

2.3 Conversion en dépression La préhension par ventouse est un moyen simple de saisir des pièces lisses. Afin d'être réversible la préhension nécessite l'emploi d'un générateur de vide qui à partir de l'air sous pression crée une dépression relative (dixième de bar). Loi entrée-sortie Conservation des débits Hypothèse : fluide incompressible. Se.Ve=Ss.Vs Se,Ss (en m²) : Section de passage du fluide en entrée Ve,Vs (en m/s) : Vitesse du fluide en entrée, Relation de Bernoulli Hypothèse :

- fluide non visqueux, - régime permanent (pas de variation des paramètres en fonction du temps), - différence d'altitude faible entre l'entrée et la sortie.

pe et ps (en Pa) : pression à l'entrée et à la sortie, ρ (en Kg/m3): masse volumique du fluide,

Ve et Vs (en m/s) : vitesse du fluide en entrée et en sortie.

Puissance hydraulique ou pneumatique disponible à l'entrée de la pompe (en W)

Puissance mécanique en rotation disponible à la sortie (en W)

Pe= Q.(p-p r) Q ( en m3/s) : débit en sortie de pompe p (en Pa): pression du fluide à l'admission pr (en Pa):: pression du fluide à l'échappement

Moteur V (en m3/tr) cylindrée (volume déplacé par tour de pompe)

Ps=Τ.Ω Τ(en N.m): couple disponible à l'arbre de sortie Ω(en rad/s): vitesse de rotation de la pompe

Figure 15 : Générateur de vide (Venturi)



3 Distribuer l'énergie pneumatique ou hydraulique La fonction "distribuer" consiste ici à acheminer l'air ou l'huile vers l'actionneur en fonction des ordres de la commande. Les distributeurs sont définis par deux caractéristiques fonctionnelles :

• le nombre d'orifices principaux nécessaires au fonctionnement des différents types d'actionneurs, (non compris les orifices de pilotage).

• le nombre de positions définissant l'état repos et l'état travail. il est possible d'avoir 2, 3 ou 4 positions.

Figure 16 : Distributeur 5/2 (sans précision du typ e de commande)

Principaux types de commandes : manuel ressort pilotage électrique pilotage pneumatique pilotage électropneumatique

La poussée du ressort est toujours inférieure à celle des autres commandes. Deux commandes du même type ont la même poussée sur le tiroir du distributeur.

Distributeur monostable : Un distributeur est dit monostable lorsqu'il y a un déficit entre le nombre de positions que peut prendre ce distributeur et le nombre de commandes pilotables. Un (ou des) ressort active la position surnuméraire. Exemples :

Distributeur bistable : autant de positions que de commandes pilotables.

Exemple :

Bloqueur : Les bloqueurs sont des distributeurs 2/2 qui s'utilisent, en général pour bloquer un vérin dans une position intermédiaire. Dans l'exemple les deux bloqueurs 1D2 et 1D4 laissent libres les déplacements du vérin 1C tant que l'électroaimant du distributeur 1D24 n'est pas alimenté. Si 1YV10.1 est alimenté alors les lignes pilotes sont reliées à l'échappement, 1D2 et 1D4 passent en position de blocage du vérin 1C.

1D24

1D

1YV12.1

1YV10.1

1D4

1D2

1C

Ligne pilote (transmet les signaux de commande par voie pneumatique)

Distributeur 5/2 monostable à commande électrique . Le rappel se fait par ressort. La position stable est la position repos (ressort détendu).

Distributeur 5/3 monostable à commande électrique . Le rappel en position stable se fait par ressort. La position stable est la position centrale (ressorts détendus).

Distributeur 5/2 bistable à commande s électrique s. Il n'y a pas de ressort et il y a deux positions stables.

Commande qui active la case de

gauche du distributeur

Commande qui active la case de

droite du distributeur



Commande proportionnelle : Afin de profiter pleinement de l'incompressibilité de l'huile pour la mise en position précise, on pourra utiliser des distributeurs proportionnels qui permettent de contrôler le débit en fonction de la position ou de la vitesse du vérin souhaitée (ouverture partielle du passage d'huile proportionnelle à la commande).

Figure 17 : distributeur proportionnel ( les flèches sur les commandes confirment que la commande est proportionnelle)

4 Composants annexes d'alimentation

4.1 Contrôle du débit Les clapets anti-retour : Ils assurent le passage du fluide dans un sens et bloquent le débit dans l'autre sens. Une bille peut se déplacer dans une cavité. Lorsque le fluide se déplace dans le sens contraire au sens de passage, la bille obstrue le passage et empêche le fluide de s'échapper. Cet élément peut être utilisé pour maintenir un circuit sous pression en cas de coupure d'alimentation. Les étrangleurs : Les étrangleurs ont pour rôle de régler le débit du fluide. Ils s'implantent, pour le réglage de vitesse des vérins, sur chacun des orifices d'échappement des distributeurs. Ils sont composés d'un orifice de passage d'air dont la section est contrôlée par une vis de réglage. Les réducteurs de débit unidirectionnel (RDU) : Ils sont destinés à régler le débit du fluide. Ils doivent assurer le freinage du débit de fluide dans un sens et le plein passage dans l'autre sens. Le clapet anti-retour obstrue le passage du fluide dans un sens et l'oblige à passer par l'étrangleur dans l’autre sens. Le réglage de la vitesse d'un vérin se fait en plaçant un rdu au niveau de l'échappement du vérin (les vitesses d'entrée et de sortie sont alors indépendantes). Attention en hydraulique , ce type de montage peut créer une surpression importante dans la chambre au refoulement (ici en rentrée de tige).

Figure 18 : clapet anti-retour

Figure 19 : étrangleur (limiteur de débit)

Figure 20 : rdu

Figure 21 : exemple d'utilisation d'un rdu pour le contrôle de la vitesse de sortie d'un vérin

double barre de la commande proportionnelle

schéma équivalent de la position intermédiaire de 1 YV PA.1

schéma équivalent de la position intermédiaire de 1 YV PB.2 1 YV PB.2 1 YV PA.1

3 Q 1



1F,1P, 2F,6F

1G

1R

3O

1A

4.2 Contrôle de la pression Deux dispositifs sont principalement disponibles pour contrôler la pression dans le circuit:

- les réducteurs de pression (utilisés notamment dans les circuits pneumatiques pour contrôler la pression d'alimentation de la machine)

- les limiteurs de pression permettent d'éviter les surpressions inhérentes

aux pompes (volumétriques), mais peuvent également être utilisés pour limiter la pression sur une chaine fonctionnelle de la machine

4.3 Alimenter en énergie pneumatique ou hydraulique

4.3.1 Alimentation pneumatique La production d'air comprimée est centralisée. Le composant permettant d'obtenir de l'air comprimé s'appelle un compresseur. Il est constitué d'un moteur et d'une pompe. Un ballon muni d'une soupape de sécurité et d'une vanne de purge permet de pallier aux irrégularité de la demande d'air comprimé.

Figure 24 : Perspective d'une installation à production d'air comprimé centralisée

Figure 25 : Centrale de production d'air comprimée

Figure 23: Limiteur de pression (réglable)

Figure 22 : Réduct eur de pression (pneumatique et réglable)

Fonctions des composants d'alimentation centralisée : 1F : Filtrer la prise d'air 1P : Comprimer l'air 2F : Refroidir (pour condenser la vapeur d'eau éventuelle) 6F : Déshumidifier l'air 1O : Vanne (fermer le circuit) 3F : Filtrer avant ballon 1A : Stocker l'air comprimé (pour les piques de consommation) 1G : Visualiser la pression en sortie de ballon 1R : Limiter la pression dans le ballon 3O : Vanne (purger le réservoir) 4F : Filtrer l'air comprimé (purge

automatique)

Alimentation pneumatique

(symbole global)



Les accessoires de lignes ont pour objet de régler le débit, régler la pression, réduire les bruits d'échappement et de connecter les appareils entre eux.

Ensemble de conditionnement d’air : Lors du passage de l'air du compresseur à son lieu d'utilisation, l'air s'enrichit en poussière, rouille des tuyaux des canalisations. Il est donc nécessaire de le filtrer pour retirer ces éléments nuisibles au bon fonctionnement des composants, de le lubrifier pour faciliter le déplacement des organes mobiles des composants pneumatiques et d'en contrôler la pression.

Les silencieux :

Les silencieux sont chargés d'atténuer les bruits d'échappement de l'air comprimé. Ils sont constitués de filtre de mousse.

filtre

manomètre

Réducteur de pression

Lubrificateur à goutte

Figure 27 : silencieux

Figure 26 : tête de ligne (groupe de conditionnement)

1P

1R

1G

1F2

Fonctions des composants de tête de ligne : 1P : Alimenter en air comprimé (centralisé) 1F1 : Filtrer la prise d'air 1R : Réduire la pression d'air dans la ligne 1G : Afficher la pression dans la ligne 1F2 : Lubrifier l'air (augmente la durée de vie des composants pneumatique)

1F1

1P

1F2

1G

1R

1F1

Groupe de conditionnement

(symbole global)



1T

1G + 1R

1F + 1P 3F

4.3.2 Alimentation en énergie hydraulique L'alimentation en huile sous pression fonctionne en boucle fermée autour de la bâche (réservoir d'huile clos qui protège l'huile des impuretés).

Accumulateur hydropneumatique Un accumulateur hydropneumatique peut être présent afin de réguler la pression dans le circuit hydraulique. Le gaz qu'il contient fait fonction d'amortisseur. Une membrane élastique (ou un piston) sépare le gaz sous pression et l'huile en provenance du circuit. Ce ballon permet :

- de limiter les variations brusques de pression dans le circuit appelées "coup de bélier" qui apparaissent généralement lors de l'arrêt brusque du débit (fermeture d'une vanne par exemple)

- de fournir ponctuellement un débit supérieur à celui de la pompe. Filtration La propreté de l'huile en circuit fermé permet de se contenter d'un filtre grossier (crépine) avant la pompe et d'un filtre placé au retour vers le réservoir. Cela permet alors d'éviter l'utilisation d'un filtre à haute pression en sortie de pompe qui doit alors être surdimensionné pour résister à la pression (cher). Production non-centralisée Dans le cas de l'hydraulique la production n'est pas centralisée sur un bâtiment mais produite localement pour chaque système (les pertes de charge liées à la viscosité de l'huile sont trop importante pour pouvoir éloigner la machine et la groupe d'alimentation hydraulique).

Figure 28 : groupe d'alimentation hydraulique

Figure 29 : ballon à gaz

Fonctions du groupe hydraulique : 1T: Bâche(=réservoir) : stocker l'huile 1F : Filtrer l'huile de la bâche 1P : Alimenter en huile sous pression 1R : Limiter la pression d'huile 1N : Clapet anti-retour P1, T1 : Raccords à clapets 1G : Aff icher la pression dans la ligne 1O: Vanne de mise à la bâche (ouverte lors de la mise en route de la pompe) 3F : Filtrer le retour à la bâche (le clapet anti-retour est une sécurité en cas de bouchage du f iltre).

: Alimentation hydraulique (symbole global)



5 Repérage normalisé La réalisation et l'exploitation de schémas nécessitent l'identification et le repérage des composants. La norme E 04-157 préconise un codage en trois parties

• un repérage de la chaine fonctionnelle qui peut comporter plusieurs caractères (numéro de chaine fonctionnel : 3 dans l'exemple ci-dessous)

• un code du composant (voir tableau ci-dessous ; dans l'exemple suivant YV: commande électrique)

• un code de l'état ou de l'action : o actionneurs : + correspond à la sortie ou à la mise en route et – à la rentrée ou l'arrêt, o préactionneurs : 0 correspond à la commande donnant la position initiale, o capteurs : 0 correspond à l'état initial puis 1,2,3,…aux positions atteintes au cours du

cycle, o composants auxiliaires : le repère correspond à l'orifice de connexion au composant

principal.

3 YV 14.1 Figure 30 : Exemple de repérage

Références : http://philippe.berger2.free.fr/automatique/cours/elts-pneu/les_elements_pneumatiques.htm

Automatique Informatique Industrielle de C.MERLAUD,J.PERRIN et JP.TRICHARD, Edition Dunod Guide du dimensionnement de P TAILLARD, Technologie N°121 septembre-octobre 2012

Figure 31 : Repérage normalisé des composants h ydrauliques ou pneumatiques

Figure 32 : Désignation normalisée pour une chaine d'action 3



Annexe 1 : Symboles normalisés des composants de co nditionnement

Figure 33 : Symboles normalisés de condit ionnement

(Guide des Sciences et Technologies Industrielles d e JL Fanchon, Edition Nathan 1999).



Annexe 2 : Symboles normalisés des actionneurs et d istributeurs

Figure 34 :Symboles normalisés actionneurs et préac tionneurs

(Guide des Sciences et Technologies Industrielles d e JL Fanchon, Edition Nathan 1999).

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