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Notes du Cours :

« Actionneurs Pneumatiques et Hydraulique »

Objectifs du cours :

Connaitre le matériel de base utilisé dans les installations fluidiques industrielles

Comprendre et concevoir les schémas de circuits fluidiques

Dimensionner les actionneurs selon le cahier de charge

Outil pour les TP :

FluidSim

Plan du Cours :

Chapitre I : Généralités

Chapitre II : Circuits Pneumatiques

Chapitre III : Circuits Hydrauliques

TDs

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Chapitre I : Généralités

1 - Introduction

La mise en mouvement d’un élément de mécanisme d’une machine, éventuellement son déplacement à partir d’ordres fournis par le niveau hiérarchique supérieur, sont réalisés par des organes appelés actionneurs. Ces derniers traitent l’énergie primaire (électrique, hydraulique ou pneumatique), la convertissent en énergie mécanique, la transmettent aux articulations et organes de transmission et contrôlent certaines grandeurs caractéristiques du mouvement : couples ou efforts, positions, vitesses, etc. Les performances des automatismes dépendent fortement de celles des actionneurs et des chaînes cinématiques associées qui ont, de ce fait, une importance primordiale. Pour contrôler la dynamique du système, il faut d’abord avoir une bonne maîtrise, à chaque instant, des efforts transmis par les actionneurs. 2 - Les actionneurs pneumatiques et hydrauliques Les actionneurs fluidiques utilisent respectivement l’énergie véhiculée par un gaz (air) et liquide (huile) mis en mouvement par un compresseur (cas des gaz) ou une pompe (cas des liquides) et circulant dans des canalisations. Dans le cas des systèmes hydrauliques, les pressions sont de l’ordre d’une centaine de bars. Pour l’énergie pneumatique, des pressions d’une dizaine de bars permettent des efforts intermédiaires entre les systèmes hydrauliques et les systèmes électriques. Cependant et dans le cas pneumatique, la compressibilité du gaz est plus difficile à maîtriser. Les actionneurs fluidiques sont aussi bien utilisés en translation (vérins) qu’en rotation et transmettent des efforts et des couples élevés. Cependant, ils nécessitent pour chaque machine une génération locale de mise en pression du fluide. La distribution est contraignante et les organes/accessoires sont coûteux. 3 - Avantages liés à l’utilisation des actionneurs fluidiques

une puissance massique qui peut être 5 à 10 fois supérieure à celle des dispositifs électriques similaires ;

un entraînement plus direct ;

des actions mieux réparties, chaque actionneur agissant directement sur l’un des axes du mécanisme ;

une plus grande sécurité en milieu hostile (robots de peinture par exemple).

Puissance massique : est le ratio d'une puissance (en W) par une masse (en kg).

4 - Désavantages liés à l’utilisation des actionneurs fluidiques

nécessité d’une source de puissance autre que l’énergie électrique ;

pertes d’énergie par frottement dans les circuits ;

maintenance parfois délicate ;

présence d’interfaces électro-fluidiques (servovalves) onéreuses;

manque de précision dû à la compressibilité de l’air dans certains dispositifs pneumatiques.

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5 - Pneumatique Vs. Hydraulique Les deux technologies fluidiques (pneumatique et hydraulique) se trouvent parfois en concurrence mais le plus souvent se complètent et sont utilisés de façon rationnelle. Le tableau ci-dessous nous présente une comparaison des systèmes de transmission d’énergie :

Critères Pneumatique Hydraulique

Transmetteur d’énergie Air Huile

Transport de l’énergie Conduites : Tubes, flexibles

Transformation de l’énergie mécanique

Compresseurs, vérins, moteurs pneumatiques

Pompes, vérins, moteurs hydrauliques

Caractéristiques fondamentales Pression : p (env. 6 bars) Q

Pression : p (30…400 bars) Q

Puissance massique Elevée Très élevée

Pression de position Moins bonne Très bonne

Facilité de réglage Très bonne

Transformation en mouvement linéaire

Très simple, par vérins

6 - Structure des systèmes Fluidiques

Un système à fluide est constitué essentiellement par :

un générateur : pour les circuits hydrauliques, c’est une pompe qui fournit l’huile sous pression et, pour les circuits pneumatiques, on utilise un compresseur ;

des organes dits de servitude : ils sont destinés à améliorer le fonctionnement de l’installation ou à la protéger ;

des organes de commande : ils sont chargés de régler l’admission du fluide vers le moteur en fonction des ordres délivrés par les capteurs et l’unité de calcul ;

des organes de traduction : les grandeurs physiques caractéristiques sont des pressions ou des débits de fluide. On doit donc envisager des traducteurs fluidique-fluidique, électro-fluidique, mécanique-fluidique des deux côtés de l’unité de traitement (depuis les capteurs et vers les actionneurs) pour que le dialogue soit établit ;

un actionneur : c’est un vérin, un moteur rotatif ou une turbine, qui transforme l’énergie portée par le fluide en énergie mécanique.

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Chapitre II : Circuits Pneumatiques

1 - Génération et distribution de l’air comprimé

1.1 - Génération de l’air comprimé : les compresseurs La production de l’air comprimé n’est pas bon marché. Le matériel utilisé reste cher et demande une attention particulière au niveau de la mise en place et de la maintenance. Le choix d’un compresseur devra tenir compte de la pression, du débit nécessaire et de la capacité du réservoir où on stocke l’air comprimé. Catégories de compresseurs :

Compresseurs dynamiques : la compression est obtenue par transformation de la vitesse de l’air aspiré en pression.

Compresseurs volumétriques : la compression est obtenue par réduction de l’espace contenant l’air aspiré.

1.2- Distribution de l’air comprimé La distribution de l’air comprimé s’effectue via un réseau. Ce dernier doit respecter un nombre de règles lors de sa conception. Ces règles sont les suivantes :

Les dimensions des tuyaux doivent être calculées assez largement pour que la perte de charge entre le réservoir et le point d’utilisation n’excède pas 10% de la pression initiale.

Une ceinture de distribution qui fait le tour de l’usine doit être prévue. Cela afin d’assurer une bonne alimentation au point où la demande d’air est la plus forte.

Les prises doivent toujours être situées au sommet de la canalisation afin d’éliminer l’entraînement d’eau de condensation dans l’équipement.

Toute canalisation principale doit être munie de prises situées aussi près que possible du point d’utilisation.

Toutes canalisations doivent être installées en pente descendante (1 à 2%), vers une tuyauterie de purge, afin de faciliter l’évacuation de l’eau et empêcher qu’elle ne pénètre dans les appareils.

Le compresseur étant un appareil bruyant, il doit être placé dans un local propre et insonorisé. 2 - Organes de servitude

2.1 - Conditionnement de l’air comprimé L’air à la sortie du compresseur est véhiculé dans des conduites en acier vers le lieu d’utilisation. Sa qualité est indispensable pour assurer la longévité des équipements pneumatiques. L’unité de conditionnement est destinée à préparer l’air en vue de son utilisation dans les systèmes en le débarrassant des poussières, vapeurs d’eau et autres particules nuisibles qui risqueraient de provoquer des pannes dans l’installation.

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2.1.1 - Filtre – Régulateur – Lubrificateur : FRL

Filtre : Cet appareil a pour fonction de bloquer les poussières et les particules d’impuretés qui circulent dans les conduites. Le filtre récupère aussi l’humidité résiduelle contenue dans l’air. Ainsi, Le rôle du filtre est de soustraire du système tous ces éléments nuisibles au bon fonctionnement : L’air en provenance du compresseur pénètre dans le filtre au travers du déflecteur à ailettes qui lui imprime un mouvement tourbillonnaire. Les particules lourdes (solides et liquides) sont projetées, par, centrifugation, contre la paroi de la cuve et tombent dans le fond. L’air traverse ensuite l’élément filtrant pour y achever sa filtration. Les impuretés et l’eau peuvent être évacuées manuellement ou à l’aide d’un système de purge automatique.

Régulateur de pression: Tous les appareils qui fonctionnent à l’air comprimé exigent une pression de fonctionnement optimale. Cette pression doit être maintenue à un niveau constant et réglable. Il est donc conseillé d’installer un régulateur de pression à l’entrée de chaque système pneumatique. Son rôle consiste à transformer une pression d’alimentation variable en une pression de sortie fixe, quelles que soit les variations de pression causées par les conditions pneumatiques, les accidents de terrain, les techniques de compression,… le réglage de la pression se fait via un ressort. Notons qu’on doit associer un manomètre au régulateur pour mesurer la pression de sortie.

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Lubrificateur: Le lubrificateur a pour rôle d’injecter dans l’air une quantité d’huile afin de permettre la lubrification des parties mobiles des composants constituants les systèmes pneumatiques. Le lubrificateur fonctionne selon le principe d'un Venturi. Ainsi, l'air comprimé traverse le lubrificateur faisant apparaître une dépression sur un rétrécissement du conduit de passage. Cette dépression aspire l'huile via un tube relié au réservoir. Quand l'huile atteint une chambre de pulvérisation, elle sera atomisée par le flux d'air avant de continuer son parcours.

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2.1.2 - Sécheur L’air comprimé subit les effets de la température environnante tout au long de son parcours dans l’usine. L’humidité

contenue dans l’air s’évapore ou se condense selon la hausse ou la baisse de température. Comme cette humidité

détériore les composants pneumatiques, elle doit être éliminée le plus rapidement possible. Le sécheur est un

composant qui permet de récupérer l’humidité. Son fonctionnement consiste à faire baisser la température de l’air

que l’on fait circuler dans un bloc de réfrigération, l’eau condensée est par la suite récupérée (purgée).

2.2 - Accessoires

2.2.1 - Clapet anti-retour Ouvre le passage dans un sens et le ferme le dans le sens opposé. Le corps assurant l'étanchéité se soulève de son siège si la force de l'air comprimé est supérieure à la force exercée du ressort.

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2.2.2 - Soupape d’échappement rapide Elle sert à l'échappement rapide des organes de travail. La vitesse du piston d'un vérin peut augmenter jusqu'à la valeur maximale car la résistance au passage de l'air de sortie diminue lors du mouvement. Cet accessoire est installé directement sur le vérin ou le plus près possible de celui-ci.

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2.2.3 - Silencieux Ces petits composants en bronze fritté se fixent sur les échappements des distributeurs. Ils ont pour rôle d’atténuer le bruit lors de l’échappement de l’air.

2.2.4 - Réducteur de débit Les réducteurs de débits servent à modifier le débit de l’air comprimé dans les deux sens. Si l’on ajoute un clapet anti-retour à ce réducteur de débit, la réduction de vitesse ne se fera que dans un sens. Les réducteurs de débits sont généralement réglables et ne doivent jamais être complètement fermé.

3 - Organes de commande

3.1 - Sélecteur à deux clapets (fonction ET) Le sélecteur à deux clapets sert à la liaison logique ET. Les signaux d'air comprimé émis sur les entrées 1 et 1(3) provoquent un signal sur la sortie 2. Par contre, L'absence de signal d'entrée ou un seul signal d'entrée provoque l'absence de signal de sortie.

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3.2 - Sélecteur de circuit (fonction OU) Le sélecteur de circuit sert à la fonction logique OU. Les signaux d'air comprimé émis sur l'entrée 1, sur l'entrée 1(3) ou sur les deux entrées provoquent un signal sur la sortie 2. Par contre, L'absence de signal d'entrée provoque l'absence de signal de sortie.

3.3 - Distributeurs Les distributeurs sont des appareils qui permettent d'agir sur la trajectoire d'un flux d'air, essentiellement dans le but de commander un démarrage, un arrêt ou un sens de débit. Ainsi, ils sont utilisés comme :

organes de commande

organes de traduction

pré-actionneurs

organes d'entrée

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3.3.1 - Symbole Le symbole représentant le distributeur ne fournit aucune indication en ce qui concerne sa technologie de construction. Il met l'accent uniquement sur les fonctions du distributeur et indique :

les positions de commutation : carrés contenus dans un rectangle

le nombre d’orifices : chiffres

Routage pneumatique : flèches

le mode de commande : signes sur les deux côtés du symbole

1 3

2

Fonction de

commutation

Orifice

Routage

pneumatique

Mode de

commande 3.3.1.a - Orifices et positions de commutation

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3.3.1.b - Repérage des orifices et du pilotage pneumatique (selon la norme DIN ISO 5599-3) Repérage des orifices :

1 : orifice d'alimentation en air comprimé

2,4 : orifices de service

3,5 : orifices d'échappement Repérage pour le pilotage pneumatique :

10 : ce signal obture le passage de 1 à 2

12 : ce signal ouvre le passage de 1 à 2

14 : ce signal ouvre le passage de 1 à 4

3.3.1.c - Modes de commande (selon la norme DIN ISO 1219)

Choix en fonction des exigences du système :

à commande musculaire

à commande mécanique

à commande pneumatique

à commande électrique Objectif :

commander

rappeler

centrer

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4 - Les actionneurs pneumatiques Les actionneurs pneumatiques convertissent l’énergie de puissance pneumatique en énergie mécanique de translation, de rotation ou d’aspiration. Parmi les actionneurs pneumatiques, on retrouve principalement les vérins, les moteurs et les préhenseurs.

4.1 - les vérins Le vérin est l’élément central des techniques pneumatiques; il transforme l’énergie de l’air comprimé en un mouvement linéaire. Ils peuvent soulever, pousser, tirer, serrer, tourner, bloquer, percuter, …

Fig. Exemples d’utilisation industrielle des vérins

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4.1.1 - Constituants d’un vérin Le vérin est généralement composé : d’un tube dont l’alésage détermine, en fonction de la pression de fonctionnement, les efforts théoriques

exercés ;

d’un piston coulissant dans le tube ;

d’une tige solidaire du piston qui transmet l’effort vers l’extérieur ;

de flasques (ou couvercles) munis des orifices de raccordement et fermant les extrémités du tube ;

d’un palier incorporé au flasque pour le guidage de la tige ;

d’un dispositif d’amortissement (éventuel selon les modèles) ;

de joints d’étanchéité.

Fig. Principe des vérins simple effet et double effet (source : Joucomatic)

4.1.2 - Types de construction 4.1.2.a - Vérin simple effet Le vérin simple effet se caractérise uniquement par le fait qu’une seule arrivée d’air transmet la puissance au piston ; le retour en position d’origine de la tige est provoqué par un ressort. La présence du ressort limite :

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la course d’utilisation (encombrement) ; la cadence de fonctionnement (inertie) ; la durée de vie (fatigue mécanique).

Notons que Le vérin simple effet est essentiellement utilisé pour des opérations de serrage, bridage ou indexage. Le ressort est dimensionné pour ramener la tige et le piston du vérin et en aucun cas la charge déplacée. 4.1.2.b - Vérin double effet Le vérin double effet est muni de deux orifices alimentés alternativement par le distributeur, et provoque la rentrée ou la sortie de la tige. Son utilisation est plus courante, elle est seulement limitée par :

les grandes courses (une longueur importante de la tige peut provoquer du flambage et de la flexion, selon la position de montage et l’application) ;

les efforts importants (l’utilisation de vérin de diamètre supérieur à 250 mm n’est plus économique et l’encombrement important ne facilite pas l’implantation).

Pour pallier ces problèmes, la tige est renforcée (diamètre plus important) ou une autre énergie est utilisée (hydraulique par exemple).

4.1.3 - Dimensionnement du vérin 4.1.3.a - Diamètre du vérin

L’alésage du vérin ou diamètre du piston est choisi parmi les diamètres normalisés, et ce en fonction de l’effort exercé pour une pression d’alimentation donnée.

Diamètres Normalisés (mm)

Vérin Tige

8 4

10 4

12 6

16 6

20 10

25 12

32 12

40 18

50 18

63 22

80 22

100 30

125 30

160 40

200 40

250 50

Tab. Diamètres normalisés (source : mémotech électrotechnique)

4.1.3.b - L’effort exercé

L’effort exercé (daN) est donné par :

effort (daN) = pression d’utilisation (bar) × section du piston (cm2) × taux de charge (%)

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la pression d’utilisation étant la pression relative disponible à l’entrée de l’installation. Si le réseau est sujet à des variations de pression, il faut considérer la pression la plus faible. La pression de 6 bar est considérée comme référence pour indiquer les caractéristiques de débits, c’est pourquoi de nombreux constructeurs donnent les caractéristiques de leurs produits à cette pression ;

le taux de charge étant le rapport entre la charge réelle à déplacer et l’effort dynamique disponible sur la

tige du vérin. Ce rendement prend en compte les frottements, l’effort du ressort de rappel ainsi que la contrepression d’échappement dans le cas des vérins à double effet. En cas d’application statique (bridage) et pour les vérins simple effet, la contre-pression est nulle. le taux de charge pour les deux types de vérins varie selon les constructeurs qui préconisent une valeur comprise entre 50 et 75 %.

4.1.3.c - La course du vérin Vs la flexion La flexion de la tige du piston est provoquée par l’application d’une charge WS perpendiculaire à la tige. La charge admissible est limitée par la longueur de guidage et la course du vérin.

Calcul de la charge sur le palier :

( ⁄ )

Avec :

WS (N) charge en bout de tige,

L1 (mm) longueur de guidage,

L2 (mm) longueur du palier à l’extrémité de tige. Notons que la longueur de guidage (donc aussi la charge maximale admissible sur le palier) varie selon les constructeurs.

Tab. Charge admissible à la flexion (source : SMC Pneumatic)

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4.1.3.d - La course du vérin Vs. flambage Certaines applications exigent l’utilisation de vérins à très longue course. S’il y a une charge axiale qui s’applique sur la tige, il faut veiller à ce que les paramètres longueur, diamètre et charge soient situés dans les limites autorisées pour éviter le flambage. Pour calculer la longueur de course maximum, la formule suivante doit être utilisée :

⁄

Dans laquelle :

Fk : force de flambage autorisée (N) E : module d’élasticité (N.mm-2) J : moment d’inertie (N.m2) S : coefficient de sécurité, normalement 5 L : longueur réelle (cm)

La longueur réelle varie selon la position de montage (facteur de fixation) et elle est liée à la longueur de course maximum par la relation suivante :

longueur réelle = longueur de course / facteur de fixation Notons que les industriels ont établi un graphique à partir de la formule mentionnée ci-dessus. Il permet le calcul de la longueur réelle (et ainsi la longueur de course), le diamètre de la tige ou la force de flambage autorisée lorsque deux des trois facteurs sont connus.

Fig. charge de flambage Vs. Longueur réelle Vs. Diamètre de la tige

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Un tableau complet des facteurs de fixation est repris ci-dessous.

Type de montage Facteur de fixation

Tab. Facteur de fixation Vs. Type de montage

4.1.4 - Vitesse du piston d’un vérin Sur certaines applications, la vitesse du piston est un paramètre essentiel si par exemple :

une cadence de production doit être respectée, des objets fragiles doivent être manipulés.

Cependant, Il n’existe pas de formule simple nous permettant de calculer la vitesse de déplacement exacte d’un vérin, ceci parce que beaucoup de facteurs influenceront cette vitesse, tels que:

Résistance rencontrée, Pression de l’air, Longueur du réseau de distribution, Sections des canalisations, Débit de la distribution…

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Pour les vérins standards, la vitesse moyenne du piston se trouve entre 0,1 m/s et 1,5 m/s. Un vérin pneumatique atteint sa vitesse maximale en situation exempte de charges. Cette vitesse diminue, au fur et à mesure que la charge augmente. A charge maximale le vérin est à l’arrêt et on obtient une force statique.

Fig. Vitesse du piston en fonction de la charge

A titre indicatif, on considère que la charge maximum appliquée sur un vérin ne peut dépasser 70 % de la force que le vérin peut fournir.

Fdyn = Fstatique/0,7 En cas d’une charge de 70%, nous atteignons une vitesse d’environ 60% de la vitesse maximale du vérin.

4.1.5 - Consommation d’un vérin

Pour pouvoir déterminer le débit nécessaire pour alimenter un vérin, il est important de pouvoir calculer la consommation d’air de celui-ci. La consommation d’air d’un vérin double effet est calculée de la manière suivante :

Q = S x l x (n x tv) x (p + 1)

Où : Q : débit (cm³/min) S : la surface de piston (cm2) l : course du vérin (cm) n : le nombre de cycles par unité de temps (min-1) tv : = 2 si vérin double effet || = 1 si vérin simple effet p : la pression de travail (kg/cm2 = bar)

Cette quantification du débit est utilisée pour déterminer la taille du distributeur et de l’unité de traitement d’air. Elle sert également à déterminer la charge du compresseur et les coûts d’exploitation.

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4.1.6 - Symbole d’un vérin

4.2 - les moteurs Le moteur pneumatique est l'un des équipements de puissance les plus résistants et les plus souples d'emploi à la disposition des bureaux d'études. En dépit de la forte consommation en énergie et le bruit qu’il génère, il a son actif de nombreux avantages :

Facile à contrôler sur une large plage de vitesses Couple maximal au démarrage Blocage en charge possible sans détérioration Poids et encombrements faibles Coût relativement faible

4.2.1 - les performances d'un moteur pneumatique (couple/ vitesse/ puissance) Les performances d'un moteur pneumatique dépendent de la pression d'entrée. Pour une pression d'entrée constante, ces moteurs présentent une relation caractéristique linéaire entre le couple de sortie et la vitesse.

Fig. Couple en fonction de la Vitesse

La puissance développée par un moteur pneumatique est fonction du couple et de la vitesse :

( )

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Où

M : couple (en Nm) n : vitesse (en tours/minute)

Tous les moteurs pneumatiques non régulés présentent la même courbe de puissance caractéristique, avec un pic de puissance à environ 50 % de la vitesse à vide. Le couple produit à ce stade est souvent désigné par l'appellation "couple à la puissance maximale".

Fig. Courbes caractéristiques d’un Moteur

4.2.2 - Contrôle de la puissance On peut modifier la puissance de sortie d'un moteur pneumatique en agissant sur l'alimentation en air en utilisant les techniques d'étranglement ou de régulation de la pression. Etranglement L’étranglement consiste à poser un réducteur de débit (étrangleur) soit sur le flexible d'admission du moteur ou soit sur le flexible d'échappement. Lorsqu'il est demandé de maintenir un couple de démarrage élevé et de réduire la vitesse de fonctionnement, l'étranglement est la meilleure méthode pour modifier la puissance de sortie du moteur.

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Régulation de la pression La régulation de pression se fait via montage d’un régulateur de pression sur le flexible d'admission du moteur. Cette procédure est idéale lorsqu'on veut contrôler le couple de calage (blocage) et lorsque le couple de démarrage élevé n'est pas un impératif.

4.2.3 - choix d’un moteur pneumatique Lorsque l'on choisit un moteur pneumatique pour une certaine application, il faut tout d'abord définir le "point de fonctionnement". Ce point est caractérisé par la vitesse de fonctionnement recherchée et par le couple requis à cette vitesse. Vu la vaste plage de fonctionnement des moteurs pneumatiques, il est probable qu'un certain nombre de moteurs tournent avec le même point de fonctionnement. Or, sachant qu'il est plus efficace de faire fonctionner un moteur pneumatique à sa vitesse de sortie maximale, on peut choisir le moteur qui produit la puissance maximale au plus près du point de fonctionnement. Le cas échéant, on peut utiliser une des méthodes de régulation pour modifier la puissance de sortie d'un moteur pour se caler exactement sur le point de fonctionnement.

4.2.4 - Symbole

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4.3 - les préhenseurs La technique de préhension par le vide se généralise de plus en plus dans le domaine de la manutention de pièces. Basée sur le phénomène d’aspiration, elle met en œuvre une des deux techniques au-dessous pour créer une dépression :

Pompe à vide

L’éjecteur pneumatique appelé fréquemment Venturi

Pour des raisons de facilité de mise en œuvre, la technique de vide basée sur le principe de l’effet venturi est la plus couramment utilisée. Son principe est le suivant : Le passage de l’air comprimé dans l’éjecteur augmente la vitesse de l’air et diminue sa pression. Il se crée alors une dépression qui permet d’aspirer l’air de la ventouse ce qui développe un effort permettant de soulever des charges.

Fig. Générateur de Vide

La capacité maximale réel de levage d’une ventouse est calculé par :

Cmax = 1.03 × P × S / cs Où :

Cmax : la charge maximale que peut soulever la ventouse (Kg)

P : la dépression (bar) S : la surface utile de la ventouse (cm2)

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cs : coefficient de sécurité ( = 2 si charge horizontal || = 6 si charge vertical )

Symbole :

5 - Désignation des éléments d’un circuit : norme ISO 1219-2 : 1996

Dès que nous faisons des schémas plus complexes, il est indispensable de designer les éléments, sans quoi il n’est pas possible de comprendre le fonctionnement du circuit. La Norme ISO 1219-2 : 1996 définit quelles sont les règles à suivre pour la désignation de tous les éléments d’un circuit pneumatique. Elle stipule que chaque composant doit posséder son code d’identification, le code doit se trouver à côté de l’élément en question et doit être encadré.

Fig. Exemple de circuit pneumatique

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Chapitre III : Circuits Hydrauliques

1 - Écoulement des fluides visqueux 1.1 - Débit et puissance dans une conduite 1.1.1 - Débit volumique dans une conduite

La zone hachurée représente la répartition des vitesses du fluide dans la conduite. Les vitesses ne sont pas constantes dans la section S car le fluide "accroche" aux parois. On considère alors la vitesse moyenne Vm. La relation entre le débit volumique Qv, la surface de passage du fluide S et cette vitesse moyenne s'écrit :

Qv = S. Vm

Unités : o Qv en m3/s o S en m2 o Vm en m/s

On admet, en hydraulique industrielle, des vitesses dans les conduites de l'ordre de:

A l'aspiration : 0,5 à 1,5 m/s Au refoulement : 2 à 8 m/s Au retour : 2 à 4 m/s Dans les drains : 0,5 à 2 m/s

1.1.2 - Puissance hydrostatique transmise par un fluide

Qv étant le débit volumique et p la pression au point A alors la puissance hydrostatique transmise par le fluide au point A s'exprime par:

Ph = p.Qv Unités :

o Qv en m3/s o p en Pa o Ph en W

1.2 - Effets de viscosité, pertes de charge 1.2.1 - Types d'écoulements, nombre de Reynolds C'est la façon dont s'écoule un fluide, on distingue deux types d'écoulements :

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Le type laminaire pour lequel l'écoulement du fluide est "calme" ; les lignes de courant (trajectoires des particules) restent stables et parallèles entre elles.

Le type turbulent pour lequel l'écoulement est instable et aléatoire. Il n'y a pas de lignes de courant (tourbillons, remous ...).

Dans un tube où se produit un écoulement laminaire, on "trace" celui-ci avec une aiguille injectant du colorant. On constate que le colorant suit une ligne de courant, régulière, caractéristique des écoulements laminaires.

Même chose ci-contre mais avec un écoulement turbulent. Il n'y pas de ligne de courant, les trajectoires sont désordonnées et aléatoires.

Le régime turbulent se caractérise par une perte énergétique plus grande et une émission sonore importante. Le passage d'un type à l'autre se fait de façon instable et imprévisible. On définit un nombre de Reynolds permettant de donner approximativement la "frontière" entre ces deux types d'écoulement. C’est le Nombre de Reynolds :

Re = V.Dh / (nombre sans dimension) Où :

V : vitesse moyenne du fluide

: viscosité cinématique du fluide

Dh : diamètre hydraulique de la conduite dans le cas des conduites circulaires. Si la conduite n'est pas circulaire, alors :

Dh = 4.S/U (S = surface de passage, U = périmètre mouillé)

Pour un tube hydrauliquement lisse on admet que l’écoulement est : laminaire si Re < 2000 turbulent si Re > 2300

La frontière 2000 < Re < 2300 est incertaine et caractérise l'apparition de l'écoulement turbulent). Notons que l'apparition du type turbulent est favorisée par l'augmentation de la vitesse ou la diminution de la viscosité. 1.2.2 - Viscosité dynamique La viscosité est la propriété d'un fluide à résister à sa déformation. Tous les fluides sont visqueux. On définit la viscosité dynamique par la résistance au cisaillement d'un film d'huile (figure ci-après).

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μ (unité : Poiseuille) est la viscosité dynamique du fluide intercalé entre les deux plaques mobiles l'une par rapport à l'autre. F est la force nécessaire pour déplacer la plaque supérieure, v la vitesse de déplacement de cette plaque. La valeur de la viscosité dynamique est significative, on peut comparer les valeurs de la viscosité de deux fluides quelconques, contrairement à la viscosité cinématique. 1.2.3 - Viscosité cinématique Pour la plupart des huiles industrielles, on utilise une autre définition de la viscosité: la viscosité cinématique. Celle-ci est égale à la viscosité dynamique divisée par la masse volumique du fluide et

désignée par la lettre .

= /

Cependant l'unité normalisée (ISO) pour exprimer la viscosité cinématique est le mm2/s. La valeur de la viscosité cinématique n'est pas significative, on ne peut comparer que les viscosités de fluide ayant des masses volumiques semblables. 1.2.4 - Pertes de charge Dès qu'il y a une chute de pression Δp entre la sortie et l'entrée d'un système, on dit qu'il y a perte de charge. Il existe 2 types de pertes de charges :

Les systématiques dans les canalisations simples :

o En régime laminaire ; o En régime turbulent lisse ; o En régime turbulent rugueux.

Les singulières pour toutes les anomalies dans les circuits (étranglements, coude,…).

Pertes de charge systématiques en régime laminaire :

La température influence la viscosité, elle influence donc aussi les pertes de charges.

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Pertes de charge systématiques en régime turbulent lisse :

Pertes de charge systématiques en régime turbulent rugueux :

Pour atteindre le régime turbulent rugueux, il faut des vitesses d'écoulement très rapides donc inutilisées en transmission de puissance hydrostatique.

Pertes de charge singulières :

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2 - Génération et distribution de l’air comprimé 2.1 - l’huile Il existe 3 types de fluide :

• les produits aqueux • les huiles de synthèse • les huiles minérales

Les produits aqueux sont à base d'eau. Tandis que les huiles de synthèse qui sont les plus performants sont obtenues par synthèse chimique à partir de molécules de tailles homogènes. Ces deux huiles (aqueux et de synthèse) sont surtout utilisées pour des cas spécifiques. Les huiles minérales sont de loin les plus utilisées dans les transmissions de puissances hydrauliques. Elle est obtenue par transformation chimique du pétrole. On y ajoute très souvent des additifs pour répondre à des fonctions spécifiques à assurer par le fluide. Note :

Pour éviter une usure prématurée du fluide minéral, on limite sa température en tout point du circuit à 60°C ;

Le fluide minéral est cancérigène. Désignation de l'huile minérale

La désignation des huiles minérales est établie à partir de la norme ISO ASTM. (International Standard Organisation American Society for Testing and Materials).

ISO catégorie classe

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Classe : Il s'agit d'une classe de viscosité (viscosité cinématique en mm2/s à 40 °C), on aura donc une valeur

mini et une valeur maxi autour de la valeur nominale. Il existe 7 classes : 15 ; 22 ; 32 ; 46 ; 68 ; 100 et 150.

Catégories : pour chaque classe il existe 5 catégories HH ; HL ; HM ; HV et HG allant de la plus simple à la plus élaborée :

• HH : huile minérale brute • HL : HH + pouvoir anti-rouille + pouvoir anti-oxydation • HM : HL + pouvoir anti-usure • HV : HM + viscosité élevée • HG : HM + anti-stick-lip (broutement)

2.2 - les pompes

Dans un circuit hydraulique, les pompes jouent un rôle tout aussi important, lequel s’apparente à celui joué par le cœur chez l’être humain. En effet, la pompe permet de faire circuler, par l’intermédiaire de canalisations, un fluide hydraulique qui déplacera des charges grâce à des vérins ou à des moteurs hydrauliques. La pompe joue un rôle de premier plan, car c’est elle qui fournit l’énergie dans un circuit hydraulique.

Il existe deux sortent de pompes : • Les non volumétriques qui possèdent un débit élevé mais irrégulier, • Les volumétriques qui sont génératrices d’un débit qui peut être fixe ou variable.

Nous traiterons par la suite les pompes volumétriques qui sont utilisées en hydraulique industrielle. Pompes hydrauliques volumétriques : Les pompes hydrauliques volumétriques possèdent une étanchéité interne. Cela signifie que l’orifice d’admission est séparé de celui de refoulement par des pièces mécaniques rigides. L’étanchéité interne d’une pompe volumétrique rend cette dernière apte à être utilisée dans les circuits servant à déplacer des charges.

Il existe plusieurs types de pompe hydraulique volumétrique. Ces pompes diffèrent les unes des autres par leur dimension ainsi que par la quantité et nature de leurs pièces mobiles internes. Malgré ces distinctions, elles remplissent toujours essentiellement le même rôle, celui de faire circuler une quantité plus ou moins grande de fluide. Les caractéristiques de fonctionnement d’une pompe sont :

Cylindrée (C : l/tour) :

La cylindrée d’une pompe hydraulique est le volume ou la quantité de fluide que celle-ci refoule par révolution.

Vitesse de révolution (n : tr/min) :

La pompe est toujours accouplée à un moteur via un arbre d’accouplement. Lorsque la pompe hydraulique est entraînée par un moteur électrique, les vitesses sont de l’ordre de 1200 tr/min, 1500 tr/min ou 1800

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tr/min. Cependant, on doit respecter la vitesse nominale prescrite par le fabricant qui est la vitesse pour laquelle une pompe a été conçue.

Débit (Q : l/min) :

On appelle débit la quantité de fluide mise en mouvement en fonction du temps et il est calculé par :

Q = n × C

Pression (p : Pa) :

Le rôle d’une pompe hydraulique est uniquement de créer un débit. La pression dans un circuit hydraulique est due à la résistance à l’écoulement que rencontre le fluide. La résistance à l’écoulement peut provenir d’une force sur un vérin, d’une charge sur un moteur ou d’une restriction dans la tuyauterie.

Puissance (P : watt) :

La puissance de sortie d’une pompe se calcule par :

P = p × Q × 10-4 / 6

Rendements volumétriques (ηvolumétrique : %)

Le rendement volumétrique est le rapport entre le débit d'huile réellement fourni par la pompe et le débit théorique. La chute de débit est due aux fuites au niveau des jeux entre les pièces de la pompe. ηvolumétrique = Débit d'huile en fonctionnement /Débit théorique

Rendements mécanique (ηmécanique : %)

Le rendement mécanique représente le pourcentage du couple qui est réellement transmis à la pompe. Un rendement mécanique de 90 % indique que 90 % du couple sont transmis à la pompe et que les 10% restants sont utilisés pour vaincre les forces de friction au niveau de la pompe.

ηmécanique = couple transmis à la pompe /couple transmis par le moteur

Le rendement total (ηtotal : %)

Le rendement total d'une pompe hydraulique tient compte à la fois des pertes volumétriques et des pertes mécaniques. Il est le rapport entre la puissance de sortie et d’entrée.

ηtotal = puissance de sortie / puissance d’entrée = ηvolumétrique × ηmécanique Types de pompes :

Pompe à engrenage externe

Fonctionnement : Elle est constituée de deux engrenages tournant à l’intérieur du corps de pompe. Le principe consiste à aspirer le liquide dans l’espace compris entre deux dents consécutives et à le faire passer vers la section de refoulement

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Pompe à engrenage interne

Fonctionnement : Ici, la pompe dispose d’une pièce intermédiaire en forme de croissant pour séparer entre l’entrée et la sortie permettant ainsi de diminuer les fuites internes et d’augmenter la pression de service.

Pompe à palette

Fonctionnement : Un corps cylindrique fixe (stator) communique avec les orifices d'aspiration et de refoulement. A l'intérieur se trouve un cylindre plein, le rotor, tangent intérieurement au corps de la pompe et dont l'axe est excentré par rapport à celui du stator. Le rotor est muni de 2 à 8 fentes diamétralement opposées deux à deux, dans lesquelles glissent des palettes que des ressorts appuient sur la paroi interne du stator. Le mouvement du rotor fait varier de façon continue les différentes capacités comprises entre les cylindres et les palettes en créant ainsi une aspiration du liquide d'un côté et un refoulement de l'autre.

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2.3 - Distribution de l’énergie hydraulique Une distribution de puissance consiste à véhiculer de l'énergie d'une source primaire à un récepteur, en changeant éventuellement sa "forme" (électrique, mécanique, hydraulique...) et ses caractéristiques (couple, vitesse, intensité...). Dans les transmissions hydrostatiques, l'énergie primaire est mécanique (produite par un moteur électrique, thermique ...) et l'énergie fournie au récepteur est également mécanique. Cette énergie est transportée sous la forme « débit x pression », ce qui explique la grande facilité de contrôle et de régulation que l'on a dans ces transmissions.

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Il va de soi que chaque transformation provoque une perte énergétique qui diminue le rendement global de la transmission de puissance. Les qualités d'une transmission de puissance en général peuvent être les suivantes :

plage d'utilisation élevée : c'est-à-dire la possibilité d'avoir des variations de vitesse et de couple dans des proportions importantes tout en gardant un rendement élevé sur cette plage ;

faible encombrement ; fort rapport puissance/masse ; fiabilité & maintenabilité rapport coût/puissance initial faible coût de fonctionnement réduit

2.4 - Canalisations Organes de liaison entre les différents appareils d’un circuit hydraulique. Les canalisations doivent résister à la pression et aux agressions intérieures et extérieures. Elles sont dimensionnées de manière à ne pas engendrer de grandes pertes de charge. Ainsi, la sélection des conduites hydrauliques s’effectue via des abaques et ce selon trois critères :

Le débit qu’elles doivent porter. La pression qu’elles doivent supporter. La viscosité de l’huile.

Notons qu’Il existe deux types de canalisations :

Les rigides : Il s'agit le plus souvent de tube sans soudure évitant ainsi, lors du cintrage, de faire apparaître des particules.

Les souples : Il s'agit d'élastomère renforcé de fibres métalliques soit en nappes soit en tresses, sur

plusieurs couches. ils permettent les raccordements entre différentes parties mobiles les unes par rapport aux autres. Ils permettent également des raccordements pour éviter la transmission de vibrations (pompe/machine par exemple).

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2.5 - Réservoir Le réservoir a bien sûr pour fonction principale de contenir la réserve d'huile nécessaire au fonctionnement de l'installation, à l'abri des polluants extérieurs. Il doit aussi assurer :

Le refroidissement du fluide par échange direct avec l'extérieur. La séparation des insolubles solides et liquides.

Notons qu’à titre tout à fait indicatif on peut envisager une capacité (en l) de 3 à 5 fois la quantité d’huile refoulée par la pompe en une minute.

3 - Organes de servitude 3.1 - Conditionnement de l’huile

3.1.1 - Filtres

Un grand nombre de pannes se produisant sur les installations hydrauliques proviennent du mauvais état du fluide hydraulique. En effet, l’huile sous pression, circulant dans l’installation, véhicule toutes sortes d’impuretés. Dans tous les cas, il faut absolument les éliminer par filtration. Sinon, elles provoqueront des pannes et une usure anormale des composants amenant ainsi des fuites.

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La filtration de l’huile hydraulique peut se faire à l’aide de : - De crépines (pour grosses particules). - De filtres (pour particules fines).

Fig. Crépine

Fig. Filtres

Dans un circuit hydraulique, la filtration peut s’effectuer :

a) Sur la haute pression de la pompe : Cette filtration est efficace : - Elle protège les composants hydrauliques. - Arrête les débris provenant de l’usure des pompes. - Agit en filtre de sécurité devant un composant sensible.

b) Sur le retour : Le montage du filtre se fait sur la conduite de retour. La totalité de l’huile est filtrée. Il permet de :

- Récupérer les débris provenant de l’usure des composants ou du circuit en général. - Maintenir le niveau de propreté du système dans le cas où il existe des risques importants de pollution ingérée.

c) Sur l’aspiration : Cette filtration doit protéger la pompe. Elle est assez grossière et ne peut arrêter que les grosses particules. Elle se fait à l’aide de crépine.

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3.1.2 - control de pression 3.1.2.a - Limiteur de pression C'est un appareil indispensable dans toute installation hydraulique, il sert à protéger les différents organes d'une élévation de pression importante.

3.1.2.b - Réducteur de pression Le rôle du réducteur de pression est différent, il permet de limiter la pression dans toute une branche d'une installation, cette pression étant bien sûr inférieure à la pression délivrée par la pompe. Le schéma est donc différent.

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3.1.3 - control de débit

Le principe de fonction des appareils de control de débit est de créer une perte de charge pour faire varier le débit en amont et en aval. 3.1.3.a - Limiteur de débit (ou réducteur de débit) : Ce sont de simples étranglements sur une conduite. Leur conception est simple et leur prix faible. La plupart sont unidirectionnels grâce à un clapet bipasse incorporé. La particularité de ces appareils est que le débit qui les traverse dépend de la perte de charge à leurs bornes. En d'autres termes, si la charge au récepteur varie, la pression demandée par son actionneur change et donc le débit varie également.

Avec un limiteur de débit, le débit varie avec la charge entraînée. Pour remédier à ce problème il faut utiliser un régulateur de débit.

3.1.3.b - Régulateur de débit: Ils sont constitués de deux étranglements successifs, l'un est réglable par l'utilisateur, l'autre change automatiquement en fonction des variations de pression pour conserver un débit constant.

Avec un régulateur de débit, le débit est indépendant de la charge.

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3.2 - Accumulateur

Leur rôle est de stocker un certain volume de fluide sous pression pour le restituer en fonction des besoins. Ils sont aussi utilisés pour les commandes d'urgence (terminer un mouvement, actionner un frein,…) ou pour amortir les chocs dans les démarrages des installations. Le principe est simple : une chambre à deux orifices séparés par un élément étanche. L'un des orifices est relié au système et l'autre permet le remplissage avant utilisation d'un gaz générant un contre effort. Le gaz utilisé est l'azote (gaz inerte).

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Série de TD n° 1

Exercice 1 : Un vérin double effet doit déplacer une charge de 500 daN en sortie de tige, la pression disponible étant de 6 bar avec un taux de charge estimé à 60 %.

a) Quel est le diamètre du piston du vérin nécessaire? b) Quel est l’effort exercé en rentrée de tige du vérin choisi ?

a) on a :

effort = pression × section × taux de charge d’où la section S

et le diamètre D

√ ⁄

Le vérin standard de dimension supérieure est d’un diamètre de 160 mm, avec une tige de diamètre de 40 mm. b) les diamètres respectifs du vérin et de sa tige sont 16 cm et 4 cm. On a :

Section du piston

⁄

Section de la tige

⁄

Section effective

d’où l’effort F est :

F = 6 × 188,40 × 0,6 = 678,24 daN

Exercice 2 : Un vérin produit par « SMC Pneumatic » a les caractéristiques suivantes :

Un diamètre de 63 mm

Une course de 100 mm Vérifiez si oui ou non ce vérin supportera-il la charge WS = 20 N en bout de sa tige. On a :

(

⁄ )

Oui, ce vérin supportera la charge sans dommage.

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Exercice 3 : Soit 2 cas d’utilisation industrielle de vérins :

ff 1er cas 2ème cas

Diamètre de la tige (mm) 16 12

Longueur de course (mm) 1100 1200

Force exercée sur la tige (N) 3000 290

Facteur de fixation 2 0.6

Vérifiez pour les deux cas si les vérins ne subiront pas un dommage par flambage. Que proposez-vous comme solutions si jamais il s’est avéré lors de la conception qu’un vérin ne supportera pas la charge sur sa tige. 1er cas : A partir de l’axe horizontal, F = 3000 N, lire à la verticale jusqu’au point d’intersection avec la ligne de diamètre de la tige correspondant à 16 mm. A partir du point d’intersection, lire horizontalement vers la gauche jusqu’à la longueur réelle L. Multiplier cette longueur réelle par le facteur de fixation 2 pour obtenir la longueur de course maximum du vérin.

650 x 2 = 1300 mm de longueur maximum de course Donc, un vérin avec une course de 1100 mm est acceptable pour cette application. 2ème cas : En utilisant la même méthode que précédemment, nous obtenons une longueur réelle L = 1180.

1180 x 0.6 = 708 mm de longueur maximum de course Donc, ce vérin ne convient pas pour cette application. Il y a deux solutions:

1. Améliorer le facteur de fixation en changeant le montage, ou 2. Utiliser un vérin avec un alésage supérieur qui possède un diamètre de tige de 16 mm ou plus.

Exercice 4 : Nous cherchons un moteur non réversible dont le point de fonctionnement est :

Vitesse : 300 tours/minute

Couple de 10 Nm.

Quel est le moteur le plus adéquat parmi la série de moteurs que propose le constructeur « Atlas Copco » ?

Tab. Puissance de sortie de tous les moteurs à palettes d'Atlas Copco

La puissance demandée (Watts) = 3,14 x 10 x 300/30 = 314 On voit, sur le Tableau, que le moteur non réversible approprié à cette application est le moteur LZB 33.

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Exercice 5 : Il est demandé de lever horizontalement une charge de 100 kg avec une ventouse ronde et avec un niveau de vide de 80 %. Quel est le diamètre de ventouse à prévoir ?

√

√

( )

Notons que : 0,8 bar = 80 % de vide = 80 kPa

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Série de TD n° 2

Exercice I : Pertes de puissance dans une conduite On considère une conduite de 8 m de long permettant l'alimentation d'un moteur avec un débit d'huile de

35 l/min à une pression de 220 bars. La perte de charge calculée est de: p/l = 2,3 bar/m de tuyau (à ce débit).

1. Déterminer la pression nécessaire à l'entrée de la conduite. 2. Déterminer la puissance calorifique dégagée dans la conduite (frottements fluides). 3. Déterminer la perte de rendement imputable à cette conduite.

Exercice II : Détermination d'un diamètre de conduite On désire transmettre une puissance de 25 kW à 200 bar dans une conduite de 20 m (pompe vers moteur). On ne veut pas une perte de charge dépassant 5 % en puissance. La viscosité de l'huile en fonctionnement

vaut : = 35 mm2/s avec une masse volumique : = 0,83 kg/dm3. Déterminer le diamètre de la conduite. Exercice III : Détermination d'un ensemble moteur / pompe pour une transmission

Une transmission hydrostatique est utilisée pour entraîner un tambour de treuil à une vitesse : Nm = 65 ± 5 tr/min (fig. ci-dessous). Le circuit hydraulique fonctionne à une pression maxi de 315 bars. On considère que les pertes mécaniques sont faibles devant les pertes volumétriques (η = ηv).

1. Choisir parmi les cylindrées réelles suivantes celle qui convient le mieux pour le moteur hydraulique : 200, 300, 400, 450, 500, 550, 600, 700 cm3/tr.

2. Déterminer alors la pression de fonctionnement du circuit. 3. Choisir parmi les cylindrées réelles suivantes celle qui convient le mieux pour la pompe hydraulique

: 22, 26, 30, 35, 40, 50, 60, 75 cm3/tr. 4. Déterminer les caractéristiques du moteur ME (couple fourni et puissance nominale).

Exercice 4 : Déplacement d'une charge avec un vérin On commande le distributeur de cette installation pour faire sortir la tige du vérin sous charge (F = 2500

daN) On freine la charge avec le limiteur de débit sur l’échappement. Le vérin a comme section : 80 × 50 et le limiteur de pression du groupe hydraulique est réglé pour s’ouvrir à 200bar.

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1. Déterminer les pressions dans les deux chambres au cours d’un aller-retour de la tige du vérin. 2. Ce montage n’est pas satisfaisant : pourquoi ? donner un nouveau schéma avec un appareillage

plus adéquat.