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MODULE DES SCIENCES APPLIQUÉES

RÉINGÉNIERIE D’UN VTT POUR AJOUTER UNE UNITÉ HYDRAULIQUE

PROJET APPLIQUÉ DE FIN D’ÉTUDES DANS LE CADRE DU BACCALAURÉAT EN GÉNIE ÉLECTROMÉCANIQUE

Présenté par : M. Robert LACROIX

Superviseur: M. Marin ENE dr.-ing., ing. stag., professeur en génie mécanique

Représentant industriel : M. Guillaume MARQUIS, ing., directeur, Métal Marquis.

24 AVRIL 2009

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Réingénierie d’un VTT pour accueillir une unité hydraulique

ROBERT LACROIX HIVER 2009 I

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ROBERT LACROIX HIVER 2009 II

Remerciements

Je tiens à remercier M. Guillaume Marquis, ingénieur et directeur chez Métal Marquis de La

Sarre pour son appui, son professionnalisme et son dévouement tout au long de la réalisation de

ce projet. Il a permis, par son extraordinaire implication, l’obtention d’un design final

correspondant aux normes et conditions requises pour une mise en marché éventuelle du

produit.

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ROBERT LACROIX HIVER 2009 III

Résumé

Le présent projet « Réingénierie d’un VTT pour accueillir une unité hydraulique » vise à

répondre aux besoins d’une clientèle cible, soit les propriétaires ou utilisateurs d’un véhicule

tout terrain « VTT ». Actuellement, la réalisation de menus travaux tels le nivelage des petits

chantiers privés, le déblayage des stationnements l’hiver à l’aide d’une pelle, la fente du bois de

chauffage et également d’autres travaux domestiques sont effectués par des équipements

différents selon le type de travaux à réaliser.

Chacun des équipements comprend une source d’énergie tel un moteur, une transmission et un

système de commande. Plusieurs de ces équipements ne sont pas conçus pour être utilisés dans

des endroits isolés tels sur un sentier isolé ou dans une forêt. D’autre part, les coûts d’achat et

d’entretien de chacun des équipements sont très élevés du fait que chaque système intègre une

mécanique complète (moteur, transmission, etc.). On fait en plus face à un problème d’espace

de rangement, la difficulté de transporter plus d’un équipement à la fois lorsque plusieurs

systèmes différents sont requis dans un endroit isolé.

Le client voit donc dans le projet une opportunité intéressante pour éliminer des équipements la

source d’énergie et de propulsion de ceux-ci.

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ROBERT LACROIX HIVER 2009 IV

Abstract

The project « Réingénierie d’un VTT pour ajouter une unité hydraulique » has as main goal to

respond at the request of four tracks owners. Actually, for whom that wants to realise different

task like clearing the four tracks’ trails or levelling, or to split the wood and other residential

works, different equipments are used like mechanical digger, a tractor with a snow-blower, etc.

The cost of all these equipments is high and a huge storage is needed to store all of them. Each

of them needs their own engine, transmission, etc.

The customer sees in this project an opportunity interesting to eliminate the source of energy

used for each of these equipments.

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ROBERT LACROIX HIVER 2009 i

Table des matières

Liste des figures .......................................................................................................................... iii

Liste des tableaux ....................................................................................................................... iv

Liste des symboles et abréviations ............................................................................................ iv

Introduction ................................................................................................................................. 1

1. Étude des besoins et mandat .............................................................................................. 2

1.1 Présentation de l’entreprise ............................................................................................ 2

1.2 Description des caractéristiques de la machine .............................................................. 2

1.3 Normes applicables ........................................................................................................ 3

1.4 Inventaire des données techniques recueillies ............................................................... 3

1.5 Théorie utilisée pour la réalisation du mandat ............................................................... 5

1.5.1 Notions d’hydraulique appliquées au projet ................................................................ 5

1.5.2 Rendement hydraulique .......................................................................................... 7

1.5.3 Calcul thermique ................................................................................................... 10

1.5.4 Embrayage électromagnétique .............................................................................. 13

1.5.5 Calcul de la puissance transmise par une courroie ............................................... 15

1.6 Objectifs, contraintes et restrictions ............................................................................. 18

1.7 Formulation du mandat ................................................................................................ 20

1.8 Hypothèses et caractéristiques recherchées ................................................................. 20

2. Mise en œuvre du mandat ................................................................................................ 21

2.1 Matrice d’évaluation des solutions .............................................................................. 21

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ROBERT LACROIX HIVER 2009 ii

2.2 Solutions proposées ...................................................................................................... 22

2.2.1 Solution 1 : Unité hydraulique externe ................................................................. 22

2.2.2 Solution 2 : Embrayage électromagnétique et courroie ........................................ 23

2.2.3 Solution 3 : Pompe à 2 stages à engrenages externes ........................................... 25

2.2.4 Solution 4 : Pompe à palettes ................................................................................ 26

2.2.5 Solution 5 : Pompe à pistons ................................................................................ 27

2.2.6 Solution 6 : Pompe à débit variable fixée sur l’arbre moteur ............................... 29

2.3 Circuits hydrauliques ................................................................................................... 30

2.4 Étude de praticabilité ................................................................................................... 42

3. Étude des coûts .................................................................................................................. 44

3.1 Coûts d’investissement de chacune des solutions proposées ....................................... 44

3.2 Évaluation des solutions avec la matrice d’évaluation ................................................ 46

3.3 Solution retenue pour la conception ............................................................................. 46

4. Santé et sécurité ................................................................................................................ 48

4.1 Sécurité en matière d’hydraulique ............................................................................... 48

4.2 Sécurité en matière de transmission de puissance par courroie ................................... 49

5. Recommandations ............................................................................................................. 52

Conclusion ................................................................................................................................. 53

Notions approfondies ................................................................................................................ 54

Bibliographie ............................................................................................................................. 55

Annexe 1 : Composantes hydrauliques ................................................................................... 56

Annexe 2 : Roulements utilisés ................................................................................................ 61

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ROBERT LACROIX HIVER 2009 iii

Annexe 3 : Dessins de détails de la solution retenue .............................................................. 63

Liste des figures

Figure 1.1 : Fendeuse à bois ......................................................................................................... 4

Figure 1.2 : Pelle excavatrice ........................................................................................................ 4

Figure 1.3 : Expérience réalisée avec l’embrayage électromagnétique ........................................ 5

Figure 1.4 : Embrayage électromagnétique ................................................................................ 13

Figure 1.5 : Champ magnétique créé par une bobine torique traversé par un courant ............... 14

Figure 1.6 : Fonctionnement d’un embrayage électromagnétique ............................................. 15

Figure 2.1 : Kit d’unité de puissance à 2 stages ......................................................................... 23

Figure 2.2 : Vue isométrique du système pompe-poulies-courroie-gardes de sécurité .............. 24

Figure 2.3 : Pompe à engrenages externes .................................................................................. 25

Figure 2.4 : Schéma hydraulique d’une pompe à deux stages .................................................... 26

Figure 2.5 : Fonctionnement d’une pompe à palettes ................................................................. 27

Figure 2.6 : Pompe à axe droit .................................................................................................... 28

Figure 2.7 : Pompe à axe brisé .................................................................................................... 28

Figure 2.8 : Circuit hydraulique avec accumulateur en mode basse pression ............................ 30

Figure 2.9 : Circuit hydraulique avec accumulateur en modes charge et basse pression ........... 31

Figure 2.10 : Circuit hydraulique avec accumulateur en mode haute pression .......................... 32

Figure 2.11 : Circuit avec pressostat et vérins en parallèles opérant à basse pression ............... 33

Figure 2.12 : Circuit avec pressostat et vérins en parallèle opérant à haute pression ................. 34

Figure 2.13 : Circuit avec pressostat mis à vide ......................................................................... 35

Figure 2.14 : Schéma de câblage du circuit de commande avec pressostat ............................... 36

Figure 2.15 : Schéma de câblage du circuit de commande sans pressostat ................................ 37

Figure 2.16 : Circuit avec distributeurs en parallèles et pressostat en mode basse pression ...... 38

Figure 2.17 : Circuit avec distributeurs en parallèles et pressostat en mode haute pression ...... 39

Figure 2.18 : Mise à vide du circuit avec distributeurs en parallèles et pressostat ..................... 40

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ROBERT LACROIX HIVER 2009 iv

Figure 2.19 : Circuit avec limiteur de pression et 4 distributeurs ............................................... 41

Figure 5.1 : Liste de contrôles des mécanismes de transmission d’énergie ............................... 50

Liste des tableaux

Tableau 1.1 : Normes applicables au projet .................................................................................. 3

Tableau 2.1 : Critères d’évaluation des solutions ....................................................................... 21

Tableau 2.2 : Forces et faiblesses des solutions ......................................................................... 42

Tableau 3.1 : Coût approximatif des solutions avant taxes ........................................................ 44

Tableau 3.2 : Évaluation des solutions avec la matrice d’évaluation ......................................... 46

Liste des symboles et abréviations

VTT : Véhicule tout terrain BP Mode de fonctionnement « Basse pression » d’une pompe à 2 stages HP Mode de fonctionnement « Haute pression » d’une pompe à 2 stages pmax, BP Pression maximale atteinte par la pompe à 2 stages en mode Basse Pression

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ROBERT LACROIX HIVER 2009 1

Introduction

Ce document contient toutes les étapes de la résolution du mandat relatif au projet

« Réingénierie d’un VTT pour ajouter une unité hydraulique », conformément aux critères

imposés par le client. Une section recommandations contient des suggestions jugées

importantes à considérer.

Le projet est réalisé en considérant l’usage du moteur du VTT comme source de puissance pour

alimenter l’unité hydraulique. Tout d’abord, la solution retenue par le client est l’installation

d’une pompe à engrenages à 2 stages avec l’utilisation d’une courroie et d’un embrayage

électromagnétique. Le circuit hydraulique choisi est un circuit simple comprenant un limiteur

de pression, un bloc de 4 distributeurs montés en série et d’un réservoir avec filtre pour réduire

le prix du système au minimum, soit d’environ 1 500$. D’autres systèmes sont possibles, dont

leur configuration offre un rendement énergétique supérieur, un fonctionnement plus stable, et

un débit plus grand à la sortie de la pompe, mais dont le prix peut facilement doubler. La

solution comporte des dessins de détail de couvercles, ainsi que différentes pièces à fabriquer

ou à acheter pour la réalisation de l’assemblage. La solution est conçue pour un VTT Yamaha

Grizzly 450cc seulement. Pour les détails de la solution, se référer à la section

« Recommandation ».

La réalisation du projet a été réalisée selon une méthode systématique proposée par l’université

du Québec en Abitibi-Témiscaminque. Elle débute par l’étude du mandat, suivi d’une collecte

de données, de l’élaboration d’une matrice de décision avant de proposer des solutions

prometteuses. Une analyse des forces et des faiblesses de chacune d’elles, de même que

l’étroite collaboration avec le client ont permis de retenir une solution. Cette solution a été

étudiée plus en profondeur. Bonne lecture!

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1. Étude des besoins et mandat

1.1 Présentation de l’entreprise

Métal Marquis est une entreprise œuvrant dans la fabrication de pièces et d'équipements dans

des domaines aussi diversifiés que les mines, la forêt, le commercial et l’industriel. L’entreprise

compte entre autre sur ses 27 années d’expérience pour offrir des produits qui répondent aux

normes de la qualité ISO 9001 et 2000. Ses installations sont situées à l’adresse suivante :

159, 9ième Avenue Est

La Sarre, Québec, CANADA J9Z 2L1

Pour répondre aux normes de fabrication et aux exigences élevées de l’industrie, Métal Marquis

dispose d’un parc d'équipements modernes et d’une équipe de 45 employés composée

d’ingénieurs, techniciens, d’employés de soutien, etc. répartie dans plusieurs départements.

L’entreprise est reconnue pour sa grande flexibilité et son sens de l'innovation, le service

d'ingénierie de Métal Marquis est à l'écoute de ses clients, s'appliquant à répondre à leurs

besoins et leurs exigences.

L’entreprise dispose également d’une accréditation auprès de Transports Canada pour la

fabrication de réservoirs et d’équipements routiers.

1.2 Description des caractéristiques de la machine

Le mécanisme faisant l’objet du design comporte une unité hydraulique comprenant une pompe

hydraulique, un système d’embrayage manuel, un réservoir d’huile, un accouplement moteur-

pompe hydraulique et de couvercles adaptés à son VTT.

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1.3 Normes applicables

L’environnement de l’hydraulique est régi par un nombre important de normes. Ces normes

visent à assurer la résistance des composants à des pressions élevées. Ce projet fait appel à

certaines de ces normes. D’autres normes sont applicables, soit celles reliées aux transmissions

de puissance par courroie et des éléments de fixation de la pompe aux VTT. Le tableau présente

les normes relatives au présent mandat.

Tableau 1.1 : Normes applicables au projet

Norme Champ d’application Définition ANSI/RMA 1p23, 1968 Transmission par courroie Tolérances permises pour la longueur d’une courroie

en V : ΔL Є [+0,25; -0,62] po. ANSI/ASME B18.2.3.4-2001 Boulons hexagonales M8x1,25x28 (25mm long)

ANSI/ASME B18.2.4.3M1982 Tarauds m8x1,25 (7,5mm haut) ASTM D 341 Fluide hydraulique Viscosité du fluide hydraulique selon la température

ANSI/ASME B18.6.2-1998 Entraînement arbre-poulie Écrou de forme conique fixant une poulie à un arbre de transmission de puissance : M3X0,5X4,2 mm

1.4 Inventaire des données techniques recueillies

Cette section est liée au stage de collecte des données du cours projet. Toutes les données

recueillies servant à la réalisation du mandat y sont présentées. Voici la liste des éléments de

bases utilisés :

• Le VTT est un Yamaha Grizzly 450cc 2004 développant ≈ 40 HP à 6000 RPM.

• La pompe hydraulique à engrenage à deux stages de marque Hy-Spec Hydraulic,

modèle HYS P11-2S-CW délivrant un débit de 11 USGPM (42,6 l/min).

• Dimension des composantes du VTT : sortie de l’arbre moteur, fixation du couvercle,

marches-pied et armature de support de la structure (voir annexe 3).

• Caractéristiques mécaniques des consommateurs

1- Fendeuses à bois hydrauliques : Capacité de coupe de 15 à 37 tonnes, moteurs de 5HP à

8 HP avec vérin hydraulique de 2po de diamètre et de 24 à 36 po de course.

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Figure 1.1 : Fendeuse à bois

2- Pelle excavatrice de 2500 PSI de pression d’opération à 11 USGPM

Figure 1.2 : Pelle excavatrice

Une expérience a permis de mesurer le couple maximal que peut supporter un embrayage

électromagnétique provenant d’une voiture de modèle Concord 1997 de marque Chrysler (voir

figure 1.3). Un taraud soudé à une plaque métallique est fixé sur la poulie comme le montre la

figure 1.3. Une clé dynamométrique permet de connaître la valeur du couple de torsion lorsque

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l’embrayage est sous tension en ajustant graduellement la valeur de la clé jusqu’à ce que le

mécanisme de la clé déclenche et émette un son (voir figure 7.7 en annexe).

Figure 1.3 : Expérience réalisée avec l’embrayage électromagnétique

Il suffit de lire la valeur du moment correspondant sur le manche de l’outil. Le moment

résistant de l’embrayage électromagnétique est de 56 N·m.

1.5 Théorie utilisée pour la réalisation du mandat

1.5.1 Notions d’hydraulique appliquées au projet

Le mandat d’installer une unité hydraulique sur un VTT implique plusieurs considérations.

D’une part, la source de puissance qui alimente l’unité hydraulique est le moteur du véhicule

tout-terrain. Le VTT auquel sera fixée l’unité hydraulique est un Grizzly 450cc de marque

Yamaha. Selon des données approximatives du concessionnaire Yamaha, la vitesse angulaire

du véhicule peut atteindre 6500 RPM. Pour convertir l’énergie mécanique en énergie

hydraulique, une pompe hydraulique joue le rôle de transformateur de l’énergie. Or, la vitesse

nominale d’une pompe hydraulique se situe normalement à environ 3000 RPM, et permet une

vitesse maximale de 3600 RPM. La pompe ne peut opérer plus de 10% du temps d’opération à

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une vitesse supérieure à sa vitesse nominale pour éviter l’usure prématurée de la pompe. Il faut

relever le défi de diminuer de moitié la vitesse de rotation de la pompe.

Pour remédier à ce problème, l’usage d’une courroie et d’une poulie ayant un rapport de 2 :1

constitue une solution peu couteuse et efficace. Les équations (1) à (22) proviennent du manuel

Circuits hydrauliques, voir [3] à la section Bibliographie. La réduction de vitesse suit l’équation

(1) :

où : et sont les vitesses angulaire de la grande et de la petite poulie

R1 et R2 sont les rayons de la grande et de la petite poulie

La puissance mécanique disponible à l’arbre d’un moteur thermique est suit l’équation (2) :

· ·

où : P est exprimé en Watts ou en HP F : Force exprimé en N ou en lbf v : Vitesse linéaire exprimée en ⁄ ou en T : Couple exprimé en N·m ou en lbf·pi : Vitesse angulaire exprimée en ou en

La cylindrée d’une pompe hydraulique est le volume de fluide que fournit la pompe par

révolution. Le débit de fluide produit par une pompe est donné par la relation (3) :

.

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·

où : Q est le débit exprimé en ou en

est la cylindrée exprimée en ou en

est la vitesse angulaire exprimée en ou en ⁄

La capacité de charge d’un vérin hydraulique est fonction du débit et de la pression d’huile qui

l’alimente de même que du diamètre de la tige, comme le montre l’équation (4) :

é · é

Comme le débit de la pompe hydraulique est fonction de sa cylindrée, la capacité de charge

d’un vérin alimenté par la pompe dépend également de la cylindrée. Plus la cylindrée de la

pompe est grande, plus faible est la capacité du vérin mais la vitesse linéaire du vérin augmente.

1.5.2 Rendement hydraulique

Le rendement global d’une unité hydraulique se calcule en déterminant les pertes de charges

imputables à chacune des composantes du système qui sont toutes fonctions du débit d’huile

qui les traverse. Ces pertes se dissipent en chaleur. De plus, le moteur thermique devra fournir

plus de puissance pour combler les pertes de puissance du circuit. L’huile absorbe la majeure

partie de cette chaleur par conduction et par radiation et s’échauffe. La section 1.5.3 traite du

calcul thermique.

Pour calculer le rendement hydraulique d’un système, on doit vérifier la nature de l’écoulement

à l’intérieur du circuit hydraulique. L’écoulement est soit laminaire ou turbulent. Pour ce faire,

on suit les étapes suivantes :

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1° la valeur du nombre de Reynolds « Re » à l’aide de la relation (5) :

·

Écoulement laminaire si Re < 2000

Écoulement turbulent si Re > 2000

2° Pertes de charges ∆ dans les composantes du circuit hydraulique :

a. Dans les boyaux de raccordement (6):

∆

pour à 65°C = 900Kg/m³

∆· · ·

2 ·

où : f : facteur de friction

f est le facteur de friction en ou en

est la longueur exprimée en ou en est la masse volumique exprimée en ou en

est la vitesse linéaire du fluide exprimée en ⁄ ou en d est le diamètre du boyau exprimé en m ou en pi

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b. Les pertes de charges localisées dans les coudes et les joints sont négligées (7):

∆12

· · · 0

où : K est le coefficient de friction du coude ou du joint

c. Dans le clapet anti-retour (fig. 4.15 p. 159) (8) :

∆ 0,30 MPa

d. Distributeur 4:3 (fig. 4.17 p. 161) (9) :

∆ 0,7 MPa

e. Pompe à engrenage (fig. 4.17 p. 161, 0,7) (10) :

∆ 4,79 MPa

f. Consommateur ou vérin (fig. 4.17 p. 161) (11) :

∆ é 4,79 MPa

La pression totale perdue (12) :

∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ é

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3° Puissance perdue (13) :

∆ ·

4° Puissance brute de la pompe (14) :

, · ,

5° Puissance requise au moteur thermique (15) :

6° Rendement global du système hydraulique (16)

1

1.5.3 Calcul thermique

Le but du calcul thermique d’un système hydraulique est de déterminer la température en

régime permanent ou en fonctionnement continu qu’atteint l’huile en connaissant les conditions

d’opération et la température ambiante. La température maximale que la plupart des fluides

hydrauliques peuvent supporter est de 65°C. Si la température calculée est supérieure à cette

valeur, il faut alors prévoir un système plus efficace de refroidissement.

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Pour éviter la surchauffe de l’huile, une règle du pouce veut qu’un réservoir de 3 fois le volume

total passant dans la pompe soit utilisé. L’huile se refroidit seulement par conduction et

radiation à travers le réservoir. Si des contraintes ne permettent pas de disposer d’un réservoir

qui respecte cette règle, il faut prévoir une méthode pour refroidir l’huile. On peut modifier la

forme du réservoir pour augmenter le coefficient global de transfert thermique en augmentant la

surface d’huile en contact avec les parois du réservoir. Si ce n’est pas suffisant, l’ajout d’ailettes

au réservoir ou l’usage d’un échangeur de chaleur peut être requis. Le calcul de la température

de l’huile en régime permanent suit les étapes suivantes :

1° On détermine , la température de fonctionnement en n’importe quel moment (17) : ∆

∑ · · 1 · ∆ · ·

où : P est la puissance exprimée Watt ou en HP U est le coefficient global de transfert de chaleur estimé à 50 · · pour le

réservoir en le considérant l’unique élément qui dissipe la chaleur, (voir tableau 4.7 p.179, Labonville 1999)

A surfaces du réservoir d’huile exposées au transfert thermique

Pour connaître la température en régime permanent, on pose t ∞. L’équation est simplifiée et

devient (18) :

∆

∑ ·

Si est inférieur à 65°C, le circuit est en mesure de dissiper suffisamment la chaleur sans avoir

besoin d’ajouter un échangeur de chaleur, un radiateur ou des ailettes au réservoir. Si la

température est supérieure à 65°C, on poursuit avec l’étape 2°.

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2° On détermine la valeur du paramètre X avec (19) :

∑ ·· ·

où : est la chaleur massique du fluide, soit 1880 · pour un liquide à base de pétrole

est le volume d’huile dans le réservoir d’huile

est la densité volumique du fluide exprimée en à 65 °C

3° On détermine t, soit le temps pris pour pomper tout le liquide du réservoir, en secondes à

l’aide de l’équation (20) :

4° Puis, on trouve ∆ , soit l’élévation de température au dessus de la température ambiante

lorsque l’équilibre thermique est atteint (21) :

∆ · 1 ·

5° Finalement, on trouve (22) le temps nécessaire pour que la température atteigne 65°C

°65

∆

où est le temps pris pour pomper toute l’huile du réservoir, en minutes.

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1.5.4 Embrayage électromagnétique

Les besoins demandent une réflexion sur un système de désengagement de la pompe

hydraulique. Plusieurs mécanismes d’embrayages peuvent être utilisés tel un embrayage à

fourchette qui s’engage manuellement à l’aide d’un levier. L’embrayage n’est possible que

lorsque le système est à l’arrêt.

Une autre technique consiste en l’utilisation d’un embrayage électromécanique. Ce mécanisme

est constitué d’une bobine de fils recouverte de fer, laquelle est insérée dans une poulie. Une

pièce de fer est installée sur celle-ci et est solidaire à l’arbre de la pompe. L’embrayage est

actionné à l’aide d’un commutateur qui alimente la bobine d’un courant et un champ

magnétique est alors créé. La poulie colle à la pièce de fer, entraînant du même coup l’arbre de

la pompe. On retrouve à la figure 1.4 un embrayage électromagnétique.

Figure 1.4 : Embrayage électromagnétique

En appuyant sur l’interrupteur, un courant électrique passe à travers la bobine de fils électrique

représentée par la rondelle à gauche sur la figure 1.4. Dès lors, un champ magnétique se forme

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autour de la bobine. Or, le passage du courant à travers une bobine torique engendre un champ

magnétique axial illustré à la figure 1.5.

Figure 1.5 : Champ magnétique créé par une bobine torique traversé par un courant

La force exercée par le champ magnétique est donnée par le produit vectoriel (23) :

·

où : est la force subie par la charge

est la charge électrique à laquelle la force s’exerce

est la vitesse de la charge

est le champ magnétique créé

La force crée une force d’attraction d’un coté de l’anneau et une force de répulsion de l’autre

côté comme le montre les flèches à la figure 1.5. L’embrayage électromagnétique est conçu de

manière à repousser la poulie sur la pièce qui entraîne l’arbre du composant à entraîner.

Pendant le court moment où la pièce atteint la même vitesse angulaire que la poulie, il se

produit un certain glissement. Puis, la poulie et la pièce sont considérées parfaitement solidaire

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et le rendement est de 1 (il n’y a pas de glissement) tant que le couple T est inférieur à Tmax, soit

le couple maximal que peut supporter l’embrayage avant que la plaque d’armature glisse sur le

rotor, voir figure 1.6.

Figure 1.6 : Fonctionnement d’un embrayage électromagnétique

Pour plus de détails, voir la source documentaire au point [1] de la section Bibliographie.

1.5.5 Calcul de la puissance transmise par une courroie

Pour calculer la puissance que peut transmettre une courroie, on applique une méthode

systématique expliquée ci-dessous qui s’applique au système d’unités impérial. Les équations

(24) à (34) sont tirés du manuel Éléments de machines, voir la bibliographie [6] pour les

références.

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1° Calcul de la puissance effective P’ (24) :

, ·

où : Ks est le facteur de surcharge du mécanisme qui dépend de la machine entraînante, de la

machine entraînée et du service demandé (nombre d’heures d’opération par jour)

2° Détermination de la longueur de la courroie (25) :

2 · 2 · 4 ·

où : d2 est le diamètre de la grande poulie

d1 est le diamètre de la petite poulie

C est l’entraxe entre les poulies

3° Calcul de la puissance brute (Pr) transmise par la courroie (26). La puissance à transmettre

par la courroie est déterminée par le calcul de la puissance transmise par le moteur du VTT

donnée à l’équation (15). La comparaison de ces deux valeurs permet de s’assurer que la

courroie peut transmettre la puissance du moteur.

= · · · · 1

où : C1 à C4 sont des constantes fonction de la section de la courroie

KA est une constante qui dépend du rapport de vitesse (RPM) de la petite et de la grande

poulie , tableau 14.9 p.336

r représente la vitesse de rotation (RPM) de la petite poulie divisé par 1000

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4° Puissance nette transmise par la courroie en appliquant les facteurs de correction (27) :

, · ·

où : K1 est un facteur appliqué à l’angle de roulement (figure 14.15 p.336)

K2 est un facteur de correction appliqué à la longueur de la courroie (tableau 14.6 et 14.7

p.336).

5° Calcul du nombre de courroies nécessaires pour transmettre la puissance (28) : ,

,

6° Calcul de l’entraxe final qui tient compte de la valeur finale de la courroie choisie puisque

les courroies sont normalisées. Il existe seulement que quelques longueurs de courroies sur

le marché. Voici l’équation (29) :

2 ·

et l’équation (30) :

4

6° Première évaluation de l’entraxe finale (31) :

,2

où : Lp est la longueur primitive de la courroie

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7° Valeur réelle de l’entraxe (32) :

,, ,2 · ,

8° Calcul de la fréquence de passage (33) :

L’équation (33) doit respecter la condition donnée à l’équation (34) :

8

où : V est la vitesse linéaire de la courroie

L est la longueur de la courroie normalisée

Une fois cette condition respectée, on choisie la courroie appropriée à l’aide des tableaux 14.3

et 14.6.

1.6 Objectifs, contraintes et restrictions

Le client a pour principal objectif la mise en marché du système hydraulique proposé si la

conception est terminée et fonctionnelle. L’entreprise a à sa disposition un éventail

d’équipements lui permettant de fabriquer certaines pièces tels le couvercle, qui recouvre

l’ensemble poulies-courroie, la coupe et l’usinage de pièces métalliques, etc. De plus, étant

détaillant de pièces hydrauliques, la disponibilité des modèles et des marques de pièces doit être

tenu en compte pour la conception des éléments hydrauliques. Le projet débute par une

recherche portant sur les VTT disponibles sur le marché. Les fabricants de VTT ne dévoilent

pas les données et ce, pour des raisons de secrets industriels. Des données importantes telles les

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plans des composants mécaniques avec cotations et les caractéristiques mécaniques des moteurs

telles les courbes de couple, de puissance et de rendement des moteurs ne sont pas connues. Les

données utilisées pour dimensionner les éléments de la solution s’appuient sur les seules

données fournies à savoir la puissance maximale du VTT et la vitesse de rotation du moteur qui

lui est associée (données approximatives) fournies par le concessionnaire. Le VTT utilisé pour

le projet est le modèle Grizzly 450cc de Yamaha. La pompe hydraulique à installer a été choisie

par le client.

Le moteur du VTT doit être utilisé comme source de puissance pour alimenter la pompe

hydraulique. La vitesse angulaire maximale de la pompe ne doit pas dépasser 3600 RPM. De

plus, la pompe doit inclure un système d’embrayage permettant de désengager la pompe

lorsque le système hydraulique n’est pas requis. Pour limiter le coût du mécanisme, des pièces

standards, donc facilement disponibles et remplaçables, sont privilégiées. L’utilisation prévue

du système nécessite trois alimentations hydrauliques ou plus, ce qui implique l’usage d’autant

de distributeurs. La puissance hydraulique étant limitée, un seul équipement doit être alimenté à

la fois. En alimentant une sortie, les autres sorties hydrauliques seront automatiquement isolées,

donc soumises à une pression hydraulique nulle.

Pour assurer la sécurité des utilisateurs, il importe que les éléments principaux du circuit

hydraulique telle la pompe ne dépasse pas à l’extérieur de la zone délimitée par les pneus du

VTT. Les conditions d’utilisation d’un VTT sont telles que le passage dans un sentier étroit ou

entre deux troncs d’arbre risquerait de d’arracher le système et d’exposer l’utilisateur à un

grave danger lié au fluide chaud sous haute pression pouvant fuir du circuit hydraulique

endommagé. L’espace disponible sur un VTT est restreint et le choix du design comporte donc

des contraintes d’espace. Le dimensionnement du réservoir d’huile, la taille et le nombre de

composants sont des critères importants pour évaluer la qualité, voir la faisabilité des solutions

qui seront proposées. Le rendement énergétique est directement lié à l’échauffement du fluide

hydraulique. La température maximale que peut supporter l’huile est de 65°C. La solution doit

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tenir compte des considérations énergétiques et thermiques. Toutes les composantes

hydrauliques proposées doivent répondre aux normes en vigueur selon les débits et pressions

maximales présentes dans le circuit.

La solution ne doit pas impliquer la modification, même partielle des composantes du moteur

du VTT. Seul le remplacement du couvercle du démarreur manuel est permis.

1.7 Formulation du mandat

Le projet consiste à faire la conception d’un système hydraulique comprenant entres autres une

pompe hydraulique, un réservoir d’huile et un système d’embrayage qui utilise le moteur d’un

VTT comme source d’énergie. La puissance hydraulique disponible est alors disponible pour le

fonctionnement d’une fendeuse à bois, d’une pelle hydraulique, d’une tarière à glace, un treuil

et toutes autres applications qui requièrent une faible puissance hydraulique d’environ 5 HP. Le

système doit être sécuritaire et offrir un rendement énergétique optimal pour limiter la

température de l’huile en régime permanent. Le système doit inclure un embrayage permettant

de désengager le mécanisme lorsque qu’il est inutilisé.

1.8 Hypothèses et caractéristiques recherchées

Le moteur du VTT peut atteindre ou dépasser 7000 RPM. Cette valeur n’est pas validée par le

constructeur du Grizzly 450cc. Le système hydraulique doit donc intégrer un réducteur de

vitesse d’un rapport d’au moins 2 :1 pour respecter les spécifications de la pompe. De plus, le

mécanisme ne devrait pas être utilisé plus de 50% du temps, c’est-à-dire que pour une

utilisation d’une heure du système hydraulique, le temps de travail au débit et à la pression

nominale ne dépasse pas 30 minutes. Cette hypothèse influe sur la température d’opération de

l’huile hydraulique. Les arbres moteur et de la pompe hydraulique proposée ne sont pas conçus

pour résister à un effort axial. Des roulements doivent être utilisés pour supporter cet effort

induit par la courroie sur les arbres.

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2. Mise en œuvre du mandat

2.1 Matrice d’évaluation des solutions

La recherche de solutions s’appuie sur certains critères objectifs. Le présent mandat contient

certaines particularités qui sont :

1. Espace restreint sur le VTT

2. Coût minimum pour la mise en marché

3. Rendement énergétique

4. Acceptation du concept par le client

Une valeur est attribuée à chaque critère, soit en pourcentage (%) ou en binaire (Oui ou Non)

totalisant 100% pour les critères exprimés en pourcentage en fonction de leur importance. Le

tableau donne la valeur de chacun des critères.

Tableau 2.1 : Critères d’évaluation des solutions

No. du critère Critère Note attribuée 1 Espace restreint sur le VTT 30% 2 Coût minimum pour la mise en marché du produit 40% 3 Rendement énergétique 30% 4 Acceptation du concept par le client O ou N

Total 100%

Dans le cas où une solution obtient « N » pour le critère 4, la solution ne peut pas être retenue

comme solution finale. Ce critère correspond au droit de véto que détient le client quant à son

appréciation de la solution compte tenu de son expérience en matière de systèmes hydraulique,

de sa vision du produit désiré et des possibilités qu’offre l’entreprise.

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2.2 Solutions proposées

Le mandat à réaliser avec les contraintes qui l’accompagnent réduisent considérablement les

possibilités de solutions. La complexité des caractéristiques du moteur thermique ne permet pas

de modifier les composantes internes d’un VTT. La modification des composantes mécaniques

du véhicule tout-terrain, même partielle, est écartée. Les possibilités de récupération de la

puissance mécanique sont limitées à deux endroits, soit sur l’arbre du démarreur manuel, soit

du côté de l’embrayage. Après l’évaluation des deux options, le choix de connecter le système

à l’arbre du côté de l’embrayage est éliminé, vu les contraintes d’espaces et mécaniques. La

seule option qui s’offre est de brancher le système du côté de l’embrayage manuel. Pour ce

faire, le démarreur manuel, composé d’un câble et du mécanisme d’entraînement de l’arbre

moteur doit être éliminé.

Suite à un remue-méninge, trois solutions potentiellement exploitables sont retenues pour la

phase suivante, qu’est l’étude des solutions proposées.

2 L’usage d’une unité hydraulique externe

3 Une transmission par courroie et embrayage électromagnétique

a. Pompe à 2 stages à engrenages externes

b. Pompe à débit variable fixée sur l’arbre moteur – 2 variantes

2.2.1 Solution 1 : Unité hydraulique externe

L’utilisation d’une unité hydraulique est la solution la plus simple et la moins couteuse parmi

toutes celles proposées. Elle est constituée d’un moteur thermique à essence, d’une pompe

hydraulique, soit la pompe proposée par le client et des pièces requises pour assembler la

pompe au moteur. La figure 2.1 montre les éléments de la solution.

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Figure 2.1 : Kit d’unité de puissance à 2 stages

Cette solution n’implique aucune modification des composantes du VTT. Elle permet de

conserver le démarreur manuel. Toutefois, le système moteur-pompe requiert un espace

important compte tenu qu’il doit être installé sur un VTT. De plus, l’autonomie en essence du

moteur se limite au réservoir intégré au moteur. L’utilisateur doit transporter de l’essence s’il

effectue un travail de plusieurs heures dans un endroit éloigné. De plus, cette solution, quoi que

considérée comme solution potentiellement viable, ne répond pas à un des critères du mandat,

soit l’utilisation du moteur du VTT comme source de puissance de l’unité hydraulique. La

solution ne répond pas au critère 4. Elle ne peut pas être choisie.

2.2.2 Solution 2 : Embrayage électromagnétique et courroie

L’utilisation d’un embrayage électromagnétique entraîné par une courroie permet de respecter

l’ensemble des critères définis dans le mandat, soit l’utilisation du moteur du VTT comme

source de puissance et l’utilisation d’un embrayage pour activer ou désactiver le système.

L’entraînement de la pompe est assuré par l’entremise d’une courroie et de deux poulies

installées sur l’arbre moteur et sur l’arbre de la pompe comme le montre la figure 2.2.

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Figure 2.2 : Vue isométrique du système pompe-poulies-courroie-gardes de sécurité

Un rapport de 2 :1 entre la poulie du moteur et de la pompe réduit la vitesse angulaire de la

pompe à 3000-3300 RPM alors que le moteur du modèle Grizzly 450cc se situe entre 6000 et

6600 RPM. Pour réduire la dimension des poulies utilisées, la poulie de l’embrayage est plus

grande que la poulie côté moteur. De plus, le couple disponible dans la poulie de l’embrayage

est 2 fois plus élevé que pour la poulie du moteur. La poulie de l’embrayage dépend de

l’embrayage choisie. L’utilisation d’un embrayage électromagnétique du système d’air

climatisé d’une voiture permet de réduire les coûts de l’équipement. L’embrayage s’active en

appuyant sur l’interrupteur. L’avantage de ce type d’embrayage est qu’il permet d’embrayer ou

de désembrayer la pompe en tout temps lorsqu’elle est en opération. La visite d’un centre de

recyclage a permis de constater que les embrayages des voitures de marque Chrysler sont très

fréquents et la dimension des poulies sont presque toutes similaires. Le choix du modèle

Chrysler Concord 97 est utilisé dans cette solution. La poulie du côté moteur doit être construite

sur mesure.

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L’utilisation d’une courroie induit un effort axial dans les arbres moteur et de la pompe. Des

roulements sont nécessaires pour éliminer la charge axiale sur les arbres de la pompe et du

moteur.

Les solutions 2.2.3 à 2.2.5 sont complémentaires à la solution 2 présentée ci-haut. Elles traitent

des différentes pompes hydrauliques qui peuvent être installées.

2.2.3 Solution 3 : Pompe à 2 stages à engrenages externes

La pompe exigée par le client est une pompe à 2 stages à engrenages externes. Sur la figure 2.3,

on présente une vue de coupe de ce type de pompe pour illustrer son principe de

fonctionnement.

Figure 2.3 : Pompe à engrenages externes

Une pompe à deux stages est constituée de deux mécanismes comme celui de la figure 2.3. Le

schéma hydraulique qui représente le fonctionnement hydraulique interne est illustré à la figure

2.4.

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Figure 2.4 : Schéma hydraulique d’une pompe à deux stages

Lorsque la pression au point A atteint la pression pmax (pmax est réglée manuellement et varie

entre 400 et 900 PSI pour la pompe exigée par le client), la pompe basse pression est mise à

vide et la pompe haute pression alimente seule le circuit. Le faible coût de cette pompe la rend

intéressante puisqu’elle est la moins dispendieuse. Son point faible est son usure rapide au

niveau des parois causée par le frottement des deux engrenages. La pression d’huile créée par le

consommateur (équipement hydraulique) induit une force axiale importante sur l’arbre qui

pousse chaque engrenage contre la paroi fixe, d’où l’usure.

2.2.4 Solution 4 : Pompe à palettes

L’avantage d’utiliser une pompe à palette est qu’elle permet de faire varier la cylindrée. Cette

pompe est compacte, contrairement à une pompe à piston et est moins dispendieuse. La

cylindrée s’ajuste en vissant la vis de réglage de la pression maximale. La figure 2.5 présente le

schéma d’une pompe à palette.

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Figure 2.5 : Fonctionnement d’une pompe à palettes

La cylindrée de cette pompe peut être réglée manuellement. Elle peut alors être comparée à une

pompe à cylindrée fixe. L’anneau peut être réglé automatiquement en fonction e des variables

hydrauliques. Cette configuration permet donc une infinité de stages, contrairement à une

pompe à 2 stages qui n’en possède que deux. La limite de la première configuration de la

pompe est que la cylindrée ne varie pas automatiquement selon la vitesse de rotation de la

pompe. Ainsi, lorsque l’arbre de la pompe tourne à 1000 tours par minute, la cylindrée est très

petite, car elle est réduite pour assurer de ne pas dépasser le débit nominal de la pompe lorsque

l’arbre tourne à 3000 tours/minute. Le mécanisme est toutefois moins dispendieux.

2.2.5 Solution 5 : Pompe à pistons

La pompe à piston est plus complexe que la pompe à palettes. Ce type de pompe peut être

converti soit en pompe, soit en moteur hydraulique en inversant le sens de circulation de l’huile

dans la pompe. Les pompes à pistons sont disponibles en deux modèles différents. Il y a les

pompes à axe droit et à axe brisé. La figure 2.6 montre une vue de coupe d’une pompe à axe

droit et la figure 2.7, celle d’une pompe à axe brisée.

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Figure 2.6 : Pompe à axe droit

Figure 2.7 : Pompe à axe brisé

La cylindrée de ce type de pompe est réglée soit manuellement, soit électriquement ou encore

hydrauliquement grâce à une pression de pilotage. Les deux inconvénients de l’usage d’une

pompe à piston sont principalement les dimensions et le prix importants en comparaison à la

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pompe à palette. La pompe la moins dispendieuse demeure la pompe à engrenage. La solution

obtient un bon pointage pour le critère 1 « Espace occupé sur le VTT » puisqu’elle occupe

environ la moitié de l’espace sur le marche pieds.

2.2.6 Solution 6 : Pompe à débit variable fixée sur l’arbre moteur

Cette solution propose de fixer la pompe directement sur l’arbre moteur. Elle est totalement

indépendante des solutions 2.2.1 et 2.2.2. Pour palier au problème de la vitesse angulaire très

élevée du moteur, une pompe à débit variable doit être utilisée. En réduisant la cylindrée de la

pompe de moitié à haute vitesse, il est possible de doubler la vitesse nominale de celle-ci sans

l’endommager. Les pompes à débit variables présentées aux solutions 2.2.4 et 2.2.5 peuvent

être utilisées. L’avantage premier de cette solution est la simplicité du mécanisme qui nécessite

peu de composantes par rapport aux solutions 2.2.2 à 2.2.5, celle-ci ne nécessitant pas de

poulies, ni de courroie. L’axe de l’arbre de la pompe est colinéaire à l’axe du moteur du VTT. Il

n’y a présence que d’un moment de torsion pur. Aucun roulement n’est nécessaire

puisqu’aucune force axiale n’est induite dans les arbres. La solution gagne aussi beaucoup de

points pour le critère 1 « Espace occupé sur le VTT » puisqu’elle est occupe environ la moitié

de l’espace sur le marche pieds et ce, même si les dimensions de la pompe sont grandes par

rapport à une pompe à engrenages et à palettes.

Lorsque la vitesse du moteur est très élevée, un système électrique réduit la cylindrée de la

pompe pour que le débit ne dépasse pas le débit nominal tout comme pour contrôler le débit en

fonction de la pression à la sortie de la pompe. De plus, seul un couvercle est nécessaire

puisque les axes de la pompe et du moteur sont confondus. Le conducteur du VTT a aussi plus

d’espace pour mettre ses pieds. Le prix de la pompe à débit variable est toutefois beaucoup plus

élevé que pour une pompe à engrenages.

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2.3 Circuits hydrauliques

Plusieurs configurations sont possibles pour réaliser le circuit hydraulique sur le VTT. Pour

toutes les solutions, les circuits proposés dans cette section sont possibles. Tous les schémas

présentés utilisent une pompe à 2 stages à engrenages. Il est possible de changer cette pompe

pour une pompe à palette ou une pompe à cylindrée variable. Les figures présentes seulement 2

distributeurs pour alléger le dessin. La figure 14 montre le circuit hydraulique #1, lequel intègre

un accumulateur. Le circuit est en mode basse pression.

Figure 2.8 : Circuit hydraulique avec accumulateur en mode basse pression

BP HP

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La figure 2.9 suivante montre le fonctionnement du circuit avec accumulateur en mode basse

pression même si la charge appliquée sur le vérin est de 4,7 tonnes. La présence de

l’accumulateur retarde le travail du vérin. Si la charge appliquée sur le vérin est grande,

l’accumulateur se charge partiellement et la pompe à basse pression est actionnée jusqu’à ce

que la pression dans l’accumulateur atteigne 900 PSI. La principale fonction de l’accumulateur

est d’assurer la stabilité du circuit pour éviter que la valve de mise à vide n’oscille entre l’état

Ouvert et Fermé. L’accumulateur maintient la valve de mise à vide fermée jusqu’à

l’actionnement d’un distributeur par l’utilisateur.

Figure 2.9 : Circuit hydraulique avec accumulateur en modes charge et basse pression

BP HP

PFE



La figure 2.10 montre le circuit avec accumulateur qui opère à haute pression. Lorsque la

pression dans l’accumulateur atteint les 900 PSI, la pompe basse pression est mise à vide.

Figure 2.10 : Circuit hydraulique avec accumulateur en mode haute pression

BP HP

PFE



La figure 2.11 montre le circuit hydraulique #3 en fonctionnement en mode basse pression

puisque la pression de commande de la pompe basse pression est de 600 PSI, donc inférieure à

la pression de mise à vide réglée à 900 PSI. Le vérin double effet du Système #1 se rétracte

librement. Le débit acheminé au vérin est de 11 USGPM (42,6 litres/min).

Figure 2.11 : Circuit avec pressostat et vérins en parallèles opérant à basse pression

BP HP

PFE



La figure 2.12 montre le circuit hydraulique avec le pressostat dont une charge de 4,7 tonnes est

appliquée au consommateur #1, soit sur le vérin double effet du Système #1. Comme la

pression en aval de la valve de mise à vide « MAV » est supérieure est de 1172.9 PSI, la pompe

basse pression (située du côté gauche) est mise à vide par la valve de mise à vide qui est réglée

à 900 PSI. La pression dans le circuit en amont des distributeurs est inférieure à 3300 PSI, soit

la pression maximale permise avant la mise à vide commandée par le pressostat à la « MAV ».

Figure 2.12 : Circuit avec pressostat et vérins en parallèle opérant à haute pression

BP HP

PFE



La figure 2.13 montre le circuit hydraulique avec pressostat totalement mis à vide lorsque le

vérin double effet Système #1 est en fin de course. La pression maximale est atteinte et le

pressostat actionne la valve de mise à vide. La pression est très élevée à l’entrée des

distributeurs. Il faudrait changer de valve de mise à vide « MAV ».

Figure 2.13 : Circuit avec pressostat mis à vide

BP HP

PFE



La figure 2.14 présente le schéma de câblage du circuit de commande du système hydraulique pour les circuits munis d’un pressostat. Un interrupteur à 9 positions est illustré. Il est possible d’obtenir le nombre de positions désirées, selon les besoins. Lorsqu’un des distributeurs du circuit hydraulique est actionné, tous les autres distributeurs sont désactivés et demeurent en position neutre à l’aide des ressorts de rappel intégrés aux distributeurs. Les solénoïdes des circuits des figures 2.8 à 2.18 portent un nom distinct, soit B1, B2, C1, C2, D1 et D2 pour des fins de simulation dans Automation Studio.

Figure 2.14 : Schéma de câblage du circuit de commande avec pressostat

PFE



La figure 2.15 suivante présente le schéma de câblage du circuit de commande du système

hydraulique pour les circuits ne possédant pas de pressostat. Le circuit permet l’usage de 2

distributeurs. Pour 4 distributeurs, se référer à la figure 2.14.

Figure 2.15 : Schéma de câblage du circuit de commande sans pressostat

PFE



La figure 2.16 montre le circuit hydraulique avec les distributeurs montés en série dont la mise

à vide est assurée par une valve de mise à vide (un distributeur) pilotée par un pressostat réglé à

3300 PSI. La figure montre le fonctionnement en mode basse pression.

Figure 2.16 : Circuit avec distributeurs en parallèles et pressostat en mode basse pression

BP HP

PFE



La figure 2.17 montre le circuit hydraulique avec distributeurs montés en parallèles opérant en

mode haute pression. Le vérin double effet Système #2 est soumis à une charge de 4,7 tonnes et

la pompe à basse pression est mise à vide. Le circuit oblige le passage du liquide hydraulique

dans les deux distributeurs avant de retourner au réservoir.

Figure 2.17 : Circuit avec distributeurs en parallèles et pressostat en mode haute pression

BP HP

PFE



La figure 2.18 montre le circuit hydraulique avec distributeurs montées en parallèles et un

pressostat. Dans ce cas, la pompe est mise à vide. On remarque que la pression présente dans

les distributeurs dépasse 3600 PSI. Le pressostat est réglé à 3300 PSI mais le temps de réponse

du pressostat et de la valve de mise à vide « MAV » explique ce dépassement de pression. Il

faut alors prévoir de diminuer la pression d’activation du pressostat à 3100 PSI pour s’assurer

de ne pas endommager la pompe qui ne peut supporter une pression de plus de 3600 PSI.

Figure 2.18 : Mise à vide du circuit avec distributeurs en parallèles et pressostat

BP HP

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Le schéma hydraulique de la figure 2.19 contient 4 distributeurs avec solénoïdes et ressorts de

rappel. La pression est contrôlée à l’aide d’un limiteur de pression. Ce circuit offre l’avantage

d’être simple, donc peu dispendieux. C’est là son principal atout. Cependant, le circuit risque de

créer des vibrations causées par le limiteur de pression qui alterne entre l’ouverture et la

fermeture. De plus, le limiteur de pression cause une perte d’énergie se traduisant par un

échauffement de l’huile, donc offre un rendement énergétique plus faible que les autres circuits

présentés aux figures 2.8 à 2.18.

Figure 2.19 : Circuit avec limiteur de pression et 4 distributeurs

BP HP

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Chaque circuit se différentie par son rendement, par sa complexité, une certaine stabilité de

fonctionnement et par son prix.

2.4 Étude de praticabilité

Toutes les solutions proposées en 2.2 sont réalisables. L’étude de praticabilité vise à faire

ressortir les éléments favorables et les limites de chacune des solutions en vue de les évaluer à

l’aide de la matrice d’évaluation des solutions présentée au tableau 2.1. Le tableau 2.2 présente

ces éléments.

Tableau 2.2 : Forces et faiblesses des solutions

Solution Les forces de la solution Les faiblesses et limites de la solution

1. Unité hydraulique externe

• Aucune modification des composantes du VTT

• Conservation du démarreur manuel • Faible coût par rapport aux autres

solutions proposées

• S’adapte à tous les types de VTT

• Encombrant sur le VTT

• N’utilise pas le moteur du VTT comme source de puissance et ne respecte donc pas un des critères imposés par le client

• Autonomie de travail limité à la capacité

du réservoir du moteur à essence intégré

2. Embrayage électromagnétique et courroie

• Utilise le moteur du VTT comme source de puissance, critère imposé par le client

• Embrayage permettant d’engager et de désengager la pompe en tout temps

• Embrayage recyclé d’une voiture : peu

coûteux et très disponible dans les centres de recyclage de voitures

• Réduction de la vitesse angulaire de la

pompe à l’aide de 2 poulies de rapport 2 :1 par l’entremise d’une courroie

• Induit un effort axial dans les arbres moteur et de la pompe exigeant l’usage de roulements

• Besoin de 3 couvercles au total pour couvrir le système de transmission d’énergie mécanique-hydraulique

• Prend tout l’espace sur le marchepied • Plus complexe à fabriquer que pour une

solution où l’axe du moteur du VTT est colinéaire à l’axe de la pompe

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3. Pompe à 2 stages à engrenages externes choisie par le client

• Pompe la moins dispendieuse sur le marché

• Pompe compacte

• Présence de fuites volumétriques • Déséquilibre hydrostatique (forces

radiales dans l’arbre) causant une usure rapide de la pompe

• Ne permet que 2 débits différents de travail

• Le débit de la pompe en mode HP est très

élevé réduisant la capacité de charge des vérins (les consommateurs)

• Lenteur du système hydraulique en mode

HP dès que pmax, BP est atteinte.

4. Pompe à palettes

• Pompe compacte • Meilleures performances qu’une

pompe à engrenages • coût relativement bas

• Présence de fuites volumétriques • Déséquilibre hydrostatique (forces

radiales dans l’arbre) comme pour la pompe à engrenages

5. Pompe à pistons

• Excellente robustesse • Performances supérieures aux pompes

à engrenages et à palettes • Cylindrée variable

• Coût élevé • Dimensions plus grandes que pour les

pompes à engrenages et à palettes

La prochaine section « Étude des coûts » présente une évaluation sommaire des coûts de

chacune des solutions présentées ci-haut.

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3. Étude des coûts

3.1 Coûts d’investissement de chacune des solutions proposées

Le tableau 3.1 présente, pour chacune des solutions, le coût approximatif de chaque composant

utilisé ainsi que le coût global du système. Les coûts imputables aux solutions 3, 4 et 5 incluent

le coût de la solution 2. Le prix des boyaux, du distributeur, du réservoir, du filtre et du

sélecteur de circuit est identique pour toutes les solutions. Les prix sont approximatifs et sont

fournis par Géliko Inc. (voir Bibliographie).

Tableau 3.1 : Coût approximatif des solutions avant taxes

Solution Composante Prix unitaire

Coût solution

Composantes communes à toutes les solutions

• Réservoir d’huile • distributeur 4 tiroirs à solénoïdes

avec ressorts de rappel • Cartouche de soupape de sureté • Filtre à huile BP • Boyaux (5 mètres) • Connecteur (fitting) 3/8 • Sélecteur à 9 positions

100 $

112,90 $ 84,88 $

20 $ 0,25$/po

4,50 $ N-D

400 $

1. Unité hydraulique externe

• Moteur à essence • Joint d’accouplement (2) • Joint flexible • Lanterne d’accouplement • Pompe à engrenage 2 stages

435 $ 835 $

2. Embrayage électromagnétique et courroie (sans pompe)

• Embrayage électromagnétique (usagée)

• Courroie • Couvercles protecteurs • Roulements (moteur et pompe) • Supports et boulons

25 $ 25 $

400 $ 50 $

100 $

600 $

3. Pompe à 2 stages à engrenages externes • Pompe 179,99 $ 1 179,99 $

4. Pompe à palettes • Pompe 250 $ 1 250 $

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5. Pompe à pistons • Pompe 1 500 $ 2 500 $

6. Pompe à pistons dont les axes moteur et de la pompe sont colinéaires

• Pompe • Système de contrôle de la cylindrée en

fonction de la vitesse du moteur et de la pression dans le circuit

1 500 $ ---

Plus de 2 000 $

Autres composantes hydrauliques pouvant être utilisées avec toutes les solutions

• Accumulateur au gaz (5po³) • Valve de pression (Pressure Switch) • Valve NF • Réducteur ½ po • Bloc de 4 distributeurs

Model : 1xBIO-2-A8T • Valve

Model : 1xDSH101CR • Bobine 12V

Model : 1XS10LDD012 • Pressostat

400 $ 70 $

149 $ 33,39 $

112,90 $

72,04 $

43,90 $

400 $

Le coût des solutions exclut le coût des autres composantes hydrauliques (voir tableau 3.1). La

solution la moins dispendieuse est sans contredit la solution 1, suivie de la solution 2. Pour

connaître le coût total d’une solution, il suffit d’ajouter au coût de la solution le coût des

composantes supplémentaires en se référant à la configuration désirée parmi les figures 14 à 25.

Le prix de certaines composantes n’est pas connu et d’autres prix sont estimés. Une soumission

est suggérée avant de passer une commande.

Voici maintenant l’évaluation des solutions à l’aide de la matrice d’évaluation. Le pointage

attribué aux solutions est déterminé en comparant la force de la solution par rapport aux autres

solutions de même que son impact sur leurs performances mécaniques et fonctionnelles.

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3.2 Évaluation des solutions avec la matrice d’évaluation

Le tableau 3.2 contient le pointage attribué à chacune des solutions selon les forces et faiblesses

de chacune des solutions présenté au tableau 3.1.

Tableau 3.2 : Évaluation des solutions avec la matrice d’évaluation

No. du critère Critère

Note attribuée (%) No. de la solution Pondération

(%) 1 2 3 4 5 1 Espace occupé sur le VTT 0 --- 20 30 30 30 2 Coût minimum pour la mise en marché du produit 40 --- 30 20 20 40 3 Rendement énergétique 0 --- 5 15 30 30 4 Acceptation du concept par le client N O O N N O ou N

Total 40 --- 55 65 80 100

L’évaluation des solutions ne considèrent pas la sécurité, si on se réfère au tableau 3.2. La

sécurité n’en est pas moins importante. Le critère « Sécurité » ne fait pas partie de la matrice

d’évaluation puisque toutes les solutions doivent être sécuritaires, compte tenu des dangers

reliés à l’usage de l’hydraulique. Les solutions qui présentent un risque potentiel pour

l’utilisateur ou toute autre personne pouvant être en contact avec l’équipement sont éliminées

dès le début de l’analyse et ne font pas parties de cette évaluation. Le chapitre 4 suivant traite

de la sécurité en matière de transmission d’énergie et de l’usage de l’énergie hydraulique.

3.3 Solution retenue pour la conception

La solution retenue par le client est l’embrayage électromagnétique avec courroie et une pompe

à engrenage à 2 stages de 11 USGPM (43,6 litres/min). Ce choix repose essentiellement sur le

faible coût du système pour une mise en marché éventuelle du produit. Le système contient les

pièces qui sont présentées au tableau 3.1, soit la solution 2.

Le circuit hydraulique choisi est le circuit de la figure 2.19, utilisant un limiteur de pression.

L’utilisation du circuit hydraulique nécessite l’usage de 4 vérins hydrauliques, donc un bloc de

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4 distributeurs est utilisé (voir annexe A pour les détails). La figure 3.1 présente la vue éclatée

de la solution retenue.

Figure 3.1 : Vue éclatée de la solution retenue

Les dessins de détails des pièces avec cotations sont fournis à l’annexe 3. Le couple disponible

à l’arbre moteur du VTT est de 31,4 N·m (30 KW / (2π·ω)). Le couple obtenu à l’aide de la

mesure expérimentale est de 54 N·m, ce qui est largement suffisant pour supporter le couple à

l’arbre de la pompe hydraulique. De plus, la courroie utilisée pour transmettre la puissance

n’est pas déterminée par la méthode suggérée dans la section 1.5.5. La poulie de l’embrayage

provient d’une voiture Chrysler. Or, les entreprises possèdent leurs standards de courroies et de

poulies. Ces données ne sont pas divulguées, ce qui force l’utilisation de la courroie prévu pour

l’embrayage, fabriquée par le manufacturier. Le calcul de la puissance que peut transmettre la

courroie a été réalisé en posant l’hypothèse d’une courroie de type Narrow V-belt de modèle

3VX (voir [7] à la section bibliographie) pour la source documentaire.

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4. Santé et sécurité

La santé et la sécurité des travailleurs et opérateurs d’équipements mécaniques, électriques et

hydrauliques sont prises au sérieux. La conception d’un équipement, peut importe sa nature,

doit absolument intégrer des éléments de protection adéquats afin de réduire au minimum les

risques de blessures. Le projet d’installation d’une unité hydraulique sur un VTT implique des

risques liés à l’utilisation d’un système hydraulique et à la transmission de puissance mécanique

en puissance hydraulique. Le document SécuritéAppliquéesAuxMachines.pdf qui a été conçu

afin d’aider les utilisateurs, employeurs, employés et concepteurs d’équipements de protection à

prévenir des accidents en réduisant les dangers potentiels. Pour ce qui est de la sécurité en

hydraulique, les normes en vigueur concernent le choix des composantes et sont disponibles

dans le manuel de référence « Machinery’s Handbook ».

4.1 Sécurité en matière d’hydraulique

Le chapitre de santé et sécurité prend toute son importance en matière d’hydraulique. La nature

des dangers pour l’humain face à l’utilisation d’un circuit hydraulique est assurément la

présence d’une pression très élevée présente à l’intérieur du circuit. La présence d’une fuite

d’huile, même très fine, peut provoquer des blessures graves, voir la mort. Il importe de

considérer, lors de la conception de tout mécanismes intégrant l’hydraulique, de respecter les

normes qui régissent son utilisation afin de réduire les risques d’accident grave.

Afin de prévenir les accidents graves provoquées par des fuites de fluide hydraulique et par

l’éclatement de composantes hydrauliques, tous les éléments, raccords (boyaux), connecteurs,

etc. doivent respecter les normes en vigueur, qui sont présentées au tableau 1.1 de la section

1.3. Ces éléments sont fabriquées avec un facteur de sécurité « F » important. En général, F ≥ 4

puisque les conditions d’opération sont difficilement prévisibles.

De plus, pour prévenir les brulures causées par l’échauffement de l’huile dans les conduites et

les composantes, les raccords doivent être solidement fixés sur le VTT et doivent être installés

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de façon à éviter tout contact avec l’utilisateur. Un garde protecteur peut être installé afin sur

les boyaux afin de prévenir les dangers relatifs aux fuites et aux brulures.

4.2 Sécurité en matière de transmission de puissance par courroie

Lorsque le temps est venu d’entretenir un mécanisme, il faut veiller à mettre à l’arrêt le système

de transmission d’énergie, que ce soit un moteur thermique ou une alimentation électrique.

Les règles suivantes doivent être appliquées pour la protection contre les éléments mobiles :

1. Empêcher le contact : Le protecteur doit empêcher les mains, les bras ou toute autre

partie du corps d’un travailleur d’entrer en contact avec les pièces mobiles dangereuses. Un bon

système de protection des machines élimine toute possibilité pour l’opérateur ou tout autre

travailleur d’approcher ses membres des pièces mobiles dangereuses.

2. Être verrouillé : Les travailleurs ne doivent pas avoir la possibilité de retirer ou de

modifier facilement un protecteur, car celui qu’on peut facilement rendre inefficace n’assure

aucune protection. Il faut que les protecteurs et les dispositifs de protection soient faits de

matériaux résistants qui supporteront les conditions d’une utilisation normale de la machine. Ils

doivent être fermement verrouillés à celle-ci.

3. Les protecteurs : Pour être efficaces, les protecteurs des organes de transmission

d’énergie doivent couvrir toutes les pièces mobiles afin qu’aucune partie du corps de

l’opérateur ne puisse entrer en contact avec elles.

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4. Le matériau des protecteurs : Dans bien des cas, le métal est le meilleur matériau à

utiliser pour la construction des protecteurs. Les cadres de ces derniers sont habituellement faits

de profilés, tuyaux, barres ou tringles. Les panneaux sont généralement faits de tôle déployée,

perforée ou pleine, ou de treillis métallique. Lorsque la visibilité l’exige, on peut utiliser du

plastique ou du verre de sécurité. Les protecteurs de bois ne sont généralement pas

recommandés, à cause de leur inflammabilité ainsi que de leur manque de durabilité et de leur

résistance. Dans les cas où l’on utilise des matières corrosives, ils peuvent cependant présenter

le meilleur choix.

La figure 4.1 contient une liste de contrôles liés aux mécanismes de transmission d’énergie.

Pour plus de détails, voir [2] à la section Bibliographie.

Figure 4.1 : Liste de contrôles des mécanismes de transmission d’énergie

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Si une ou plusieurs réponses à ces questions sont « NON », des correctifs doivent être pris

immédiatement pour assurer la sécurité de l’opérateur.

Après avoir analysé les solutions selon leurs forces, leurs faiblesses, et en considérant les coûts

reliés à chacun des équipements, la section 5 qui suit traite des recommandations.

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5. Recommandations

Pour ce qui est de la fonctionnalité du produit recherchée, c’est-à-dire du rendement, de la

rapidité du système, de sa robustesse et de l’espace requis par le mécanisme, la solution

recommandée est la solution 6. Toutefois, pour les consommateurs qui disposent d’un budget

plus restreint, la solution 5 est la plus performante, suivi de la solution 4, puis de la solution 3,

si le budget est très limité. La solution choisie par le client est fonctionnelle mais le rendement

mécanique est faible, surtout en ce qui concerne la pompe à engrenages. Avec cette solution, les

mouvements des vérins connectés aux distributeurs sont lents dès qu’une charge est appliquée.

L’ajout d’un accumulateur, quoique non essentielle, diminuerait considérablement la

sollicitation des composantes hydraulique, principalement pour le limiteur de pression. Une

étude thermique devrait être refaite pour s’assurer que la température d’équilibre en

fonctionnement continu ne surpasse pas 65°C. Le limiteur de pression réduit le rendement de la

solution en créant une restriction au passage de l’huile et conserve une pression maximale dans

le système. Si la température de l’huile augmente trop, il peut s’avérer nécessaire de modifier le

circuit en choisissant l’une des configurations présentées aux figures 2.8 à 2.17.

Les dimensions des pièces de détail présentées à l’annexe C contiennent les cotes nominales.

Les tolérances ne sont pas inclues aux dessins de mise en plan. La longueur du support

d’ajustement de la pompe n’est pas fixée. Une vérification sur le VTT doit être réalisée afin de

déterminer précisément la longueur de la base fixée sous le marchepied et la hauteur de la base.

Le prix de certaines composantes mécaniques et hydrauliques est estimé. Une soumission est

requise pour connaître le coût exact de la solution.

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Conclusion

Le projet « Réingénierie d’un VTT pour accueillir une unité hydraulique », visait à concevoir

un système hydraulique en utilisant le moteur du véhicule tout-terrain comme source de

puissance en utilisant une pompe hydraulique à 2 stages à engrenages externes. Les plans de

dessins des composantes à fabriquer faisaient parties du produit à livrer. Suite à l’analyse du

mandat, des solutions ont été proposées, même si certaines d’entre elles ne respectent pas tous

les critères du mandat. L’étude plus approfondie de certaines notions telles le fonctionnement

des composantes hydrauliques, des notions d’instrumentation et contrôle, le perfectionnement

de deux logiciels et l’analyse du fonctionnement d’un embrayage électromagnétique ont permis

de réaliser le mandat présenté.

Suite aux rencontres fréquentes avec le client et le professeur superviseur, une solution a été

retenue, soit l’usage d’un embrayage électromagnétique avec transmission de puissance par

courroie. Le produit final contient les dessins des couvercles, des composantes à fabriquer avec

cotations importantes, une analyse sommaire des coûts, une proposition des solutions

alternatives accompagnées de schémas. La solutions retenue est peu dispendieuse mais

comporte des limitations qui, au besoin, pourront être solutionnées en modifiant certaines

composantes.

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Notions approfondies

Le projet nécessite une étude plus approfondie de certaines notions en vue de sa réalisation. Le

cours GEN4122 : « SYSTÈMES HYDRAULIQUES et LUBRIFICATION » pose les principes

de base en hydraulique, fait un survol des différents circuits et analyse les composantes qui le

composent selon une approche énergétique. Le projet nécessite une analyse plus importante

quant au fonctionnement des pompes et à l’usage d’un accumulateur ou d’un pressostat. La

conception du circuit hydraulique est réalisée à l’aide du logiciel « Automation Studio ». Il est

alors essentiel de se familiariser davantage avec la dernière version, soit Automation Studio 5.6

pour être en mesure de réaliser le circuit de commande du système hydraulique.

Des notions d’instrumentation et de contrôle de commandes ont été approfondies et intégrées au

circuit hydraulique à l’aide d’Automation Studio. Il est alors possible de produire des

simulations de systèmes hydrauliques en opération en simulant l’actionnement d’un

interrupteur à multiples positions.

Le projet fait intervenir des notions d’électromagnétisme de par l’utilisation d’un embrayage

électromagnétique. Or, l’électromagnétisme n’est pas au programme en « Conception

Mécanique » à l’UQAT. Une analyse du fonctionnement d’un système électromagnétique

appliqué à un embrayage est essentielle. Une expérience en laboratoire a permis d’évaluer la

performance d’un tel embrayage à savoir le couple supporté par l’embrayage choisie, les

données du fabricant n’étant pas disponibles.

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Bibliographie

[1] ***, Description et modélisation des composants électrohydrauliques, chap. 2.3.3 : Analyse technologique des machines volumétriques. Cyber Université, espace Médi@tice, Ingénierie, Conseil et Développement, <http://www.cyber.uhp-nancy.fr/>, Consulté le 26-03-2009 [2] ***, (Document électronique fourni par M. Marin Ene), Sécurité Appliquée Aux Machines, document pdf. [3] LABONVILLE, Réjean, Ing., Conception des circuits hydrauliques, une approche énergétique, édition corrigée, Presses internationales Polytechniques, Montréal, (1999)

[4] Géliko Inc, détaillant et réparateur de systèmes et pièces hydrauliques, situé au :

50 Av Tremblay Évain, Québec.

[5] ***, SKF, fabricant de roulements, page de téléchargement de roulement à billes en

format SolidWorks.

[6] Drouin, Gilbert, GOU Michel, THIRY Pierre, VINET Robert, (1986) Éléments de

machines, 2e édition revue et corrigée, Presses internationales Polytechnique, Montréal, (2006)

<http://www.skf.com/portal/skf/home/products?maincatalogue=1&lang=fr&newlink=1_1_0>

[7] OBERG, Erik, L HORTON, Holbrook, (1999) Machinery’s Handbook, 28e édition,

Presses Industrielles

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Annexe 1 : Composantes hydrauliques

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Annexe 2 : Roulements utilisés

Roulement fixé sur l’arbre moteur de marque SKF:

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La courroie à utiliser est une courroie en V compatible avec l’embrayage électromagnétique du

compresseur d’air climatisé de la voiture Chrysler Concord 1997 de 714 mm de long.

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Annexe 3 : Dessins de détails de la solution retenue

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MODULE DES SCIENCES APPLIQUÉES - …bibliotheque.uqat.ca/documents/rapportsa/22.pdf · ANSI/ASME B18.2.4.3M1982 Tarauds m8x1,25 (7,5mm haut) ASTM D 341 Fluide hydraulique Viscosité