Laboratoire de Sciences Industrielles pour l Ingénieur

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1 Laboratoire de Sciences Industrielles pour l Ingénieur S23 - Convertir l'énergie S231 - Actionneurs et pré-actionneurs associés incluant leurs commandes COURS ACTIONNEURS HYDRAULIQUES 1. Généralités Principe fondamental :Transport d énergie par fluide sous pression - Pneumatique : fluide compressible, - Hydraulique : fluide incompressible CPGE TSI_1 1

2 L'énergie pneumatique ou hydraulique est caractérisée par deux grandeurs : - le débit, noté Q, caractérise la quantité de fluide qui se déplace. Sa mesure impose de couper le flux transitant par le circuit afin de placer le débitmètre. Unité : m 3 /s - la pression, notée P, caractérise la capacité du fluide à se déplacer. La pression représente l'effort du fluide (exprimé en N) par unité de surface (exprimée en m²) : 1Pa=1N/m². Unité : Pa La pression se mesure en branchant un manomètre en parallèle, nécessite une référence. En pneumatique, la pression reste généralement faible (6 à 10 bars), par contre, celle de l hydraulique peut aller jusqu à 500 bars. Elle est souvent limitée par la résistance des composants et la rentabilité de l installation hydraulique. L hydraulique permettra donc de mettre en œuvre des forces et des couples de valeur élevée. L hydraulique est d une grande souplesse d exploitation et relativement simple quant à ses principes. 2. Les pompes hydrauliques Les récepteurs (moteurs, vérins ) ne sont pas toujours proches des sources d énergie facilement exploitables. On a donc besoin d éléments qui permettent de transformer l énergie puis de la rendre disponible sur la machine. Cet élément est la POMPE HYDRAULIQUE. mécanique P méca.c CONVERTIR L énergie hydraulique P hydrau = Q. P Pompe Hydraulique Avec : P méca : puissance mécanique (W) fournie par la source d énergie C : couple (N.m) [grandeur flux] : vitesse de rotation (rad/s) P hydrau : puissance hydraulique (W) Q : débit en m 3 /s [grandeur flux] P : différence de pression entre l admission et le refoulement (Pa) CPGE TSI_1 2

3 Une pompe hydraulique n est là que pour assurer la mise en mouvement du fluide, c est donc un GENERATEUR DE DEBIT. En aucun cas une pompe hydraulique ne génère de pression. La pression est générée par la résistance que rencontre le fluide dans le circuit. Les pompes volumétriques sont basées sur le transfert d un volume fermé de fluide par réduction mécanique de volume. Ce volume réduit peut être soit constant ou variable selon le choix de l utilisateur. Du fait même de cette réduction, il est nécessaire d avoir une très bonne étanchéité entre les pièces en mouvement ce qui permet d atteindre des pressions de fonctionnement élevées (quasiment 2000 bars pour les pompes à injection haute pression). Les fabricants de pompe ont développé plusieurs technologies. On peut citer : - Les pompes à pistons axiaux. - Les pompes à pistons radiaux. - Les pompes à engrenages. - Les pompes à vis sans fin. - Les pompes à palettes. Grandeurs caractéristiques des pompes - Cylindrée : Cyl en m 3 /rad. La cylindrée d'une pompe volumétrique est le volume d'huile aspiré ou refoulé correspondant à une révolution unitaire de l'arbre principal en l'absence de fuites internes. Elle est calculée à partir des dimensions et formes des composants de la pompe. On rencontre des pompes : -à cylindrée constante (pompes à pistons axiaux et radiaux, à engrenages et à palettes) -à cylindrée variable (pompes à pistons axiaux, à palettes). - Débit volumique théorique moyen : Q en m 3 /s. Le débit moyen théorique (m 3 /s) d'une pompe volumétrique est le volume d'huile sortant en moyenne par seconde de la pompe en l'absence de fuites internes. CPGE TSI_1 3

4 Si l'arbre principal de la pompe tourne à la fréquence, alors le débit moyen théorique s'écrit : Q Cyl : débit moyen théorique en m 3 /s. : cylindrée en m 3 /rad. : fréquence de rotation en rad/s - Notion de couple Si le rendement est égale à 1, on a égalité entre la puissance d entrée de la machine (fournie par le moteur d entraînement de la pompe) et la puissance de sortie de la pompe, soit : - Symboles des pompes 3. Les vérins hydrauliques hydraulique P hydrau = Q. P CONVERTIR L énergie mécanique P méca = F.V P hydrau : puissance hydraulique (W) Q : débit en m 3 /s [grandeur flux] Vérin Hydraulique P : différence de pression entre l admission et le refoulement (Pa) P méca : puissance mécanique de translation (W) F :force développée par la tige de vérin en Newton (N) V: vitesse de déplacement du piston en m/s CPGE TSI_1 4

5 - Un vérin est caractérisé par : - le diamètre du piston D (mm) - le diamètre de la tige d (mm) - la course du piston c (mm) - Aspect cinématique (uniquement dans le cas de fluide incompréhensible, huile) S2 S 1 La vitesse de la tige du vérin est liée au débit d huile incompressible qui entre par la relation : Avec : Q en m 3 /s, V en m/s S en m² Lorsque la tige sort : Lorsque la tige rentre : Il est très clair que pour un même débit d entrée, la vitesse de sortie de la tige est plus faible que la vitesse d entrée puisque S 1 >S 2. (Pour palier cet inconvénient, il est possible d utiliser des vérins à double tige ) - Aspect statique Lorsque le piston est à l'arrêt ou se déplace à vitesse constante, si on néglige les frottements, l'effort (la force) développé par le piston est Avec - quand la tige sort : - quand la tige rentre : en N, p en Pa (N/m²) ou en MPa(N/mm²) S en m² (si p en Pa) ou en mm² (si p en MPa) Notion de taux de charge : Pour pouvoir réaliser l'étanchéité et le guidage d'un vérin, il est nécessaire d'utiliser des joints et des bagues de guidage. Ces éléments, s'ils remplissent correctement leur fonction, vont générer des frottements. Et donc, en réalité, l'effort développé est Ces frottements vont nuire au bon fonctionnement du vérin. Pour en tenir compte dans la détermination des efforts exercés par un vérin, il est nécessaire de prendre en considération le taux de charge du vérin. Le taux de charge est le «rendement mécanique» du vérin. Force développée = x pression x section du piston, où est appelé le taux de charge En pratique, CPGE TSI_1 5

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