1- SITUATION DE LA FONCTION GÉNÉRIQUE CONVERTIR L ÉNERGIE (Les actionneurs) : Où bien L actionneur est un constituant de base de la chaîne d action de la PO car il permet l exécution des tâches opératives d un système. L actionneur est l élément moteur de la chaîne d action. Alimenté en énergie de puissance par son préactionneur, il fait fonctionner l effecteur. Remarque : L actionneur est choisi en fonction du préactionneur, c est-à-dire : Si le préactionneur est un distributeur pneumatique/distributeur hydraulique, l actionneur est pneumatique/hydraulique (vérin pneumatique/hydraulique). Si le préactionneur est un contacteur ou un relais électromagnétique de faible puissance, l actionneur est électrique (moteur électrique). La chaîne d action pneumatique est constituée d un distributeur, (voir distribuer l énergie) d un vérin. Il existe également la chaîne de préhension par le vide. La chaîne d action électrique est constituée d un contacteur, (voir distribuer l énergie) d un moteur électrique à courant continu, à courant alternatif ou pas à pas. Le contacteur est rarement utilisé seul. Il est un des constituants de la chaîne d alimentation du moteur.
2- FONCTION ET CLASSIFICATION DES ACTIONNEURS : 2.1- Fonction : Convertir une énergie d entrée (énergie de puissance transmise, en général, par le préactionneur) en une énergie de sortie adaptée à l exécution de la tâche opérative par l effecteur. 2.2- Classification : On peut classer les actionneurs en deux grandes familles : Les actionneurs DYNAMIQUES dont l énergie convertie est mécanique, ce qui permet des mobilités en translation ou en rotation (vérins, moteurs) ; Les actionneurs STATIQUE dont l énergie convertie est sans mobilité (résistances, lampes d éclairage, ) 3- LES ACTIONNEURS DYNAMIQUES : 3.1- Identification : L identification d un actionneur dynamique prend en compte les critères suivants : Les mobilités de l énergie mécanique convertie ; La nature de l énergie d entrée ; Certaines considérations fonctionnelles : grandeurs physiques, caractéristiques dimensionnelles 3.2- Principaux actionneurs pneumatiques/hydrauliques : a- Rôle des vérins : Les vérins reçoivent l énergie d un fluide sous pression. Ils la convertissent en une énergie mécanique. et Q = V (m/s) x S (m 2 ) Remarque : L énergie mécanique est produite sous forme d un mouvement permettant de provoquer un : Transfert (déplacement) Serrage (force) Assemblage Éjection Indexage Formage Leur classification tient compte de la nature du fluide, pneumatique ou hydraulique, et du mode d action de la tige : simple effet, double effet Une grande quantité de fonctions complémentaires peut leur être intégrée : amortissement de fin de course, capteurs de position, dispositifs de fin de course, dispositifs de détection, distributeurs, joints d étanchéités guidage,...
b- Vérins pneumatiques : Ils utilisent l air comprimé, 2 à 10 bars (1 bar = 10 5 Pa = 0,1 MPa 1 atmosphère) en usage courant. Du fait de la simplicité de mise en œuvre, ils sont très nombreux dans les systèmes automatisés industriels. c- Vérins hydrauliques : Ils utilisent l huile sous pression, jusqu à 350 bars en usage courant. Par rapport aux vérins pneumatiques, ils sont plus coûteux, développent des efforts beaucoup plus importants, des vitesses de tiges plus précises et permettent des applications plus sophistiquées avec régulation, asservissements d- Constitution et fonctionnement d un vérin : Quelque soit le vérin, son type et son constructeur, il sera constitué des mêmes éléments. Le piston est solidaire de la tige qui peut se déplacer à l intérieur du corps (cylindre). Le corps est délimité par le nez et le fond dans lesquels sont aménagés les orifices. Les espaces vides qui peuvent être remplis du fluide comprimé s appellent chambres. C est le fluides sous pression qui, en pénétrant dans l une des chambres, pousse sur le piston. La tige se déplace. Le fluide présent dans l autre chambre est donc chassé et évacué du corps du vérin. 3.3- Types de vérins : Il existe deux types de vérins : a- Vérins simple effet : L ensemble tige-piston se déplace dans un seul sens sous l action du fluide sous pression. Le retour est effectué par un autre moyen : ressort, charge Position repos, tige rentrée Position active, tige sortie Ou Ou Avantages : ils sont économiques et la consommation de fluide est réduite. Inconvénients : à course égale, ils sont plus longs que les vérins double effet ; la vitesse de la tige est difficile à régler en pneumatique. Utilisation : travaux simples (serrage, éjection, levage, assemblage )
Principe de réalisation et symboles normalisés : Simple effet classique, rappel par ressort Simple effet plat à diaphragme Simple effet à membrane Simple effet à soufflet b- Vérins double effet : L ensemble tige-piston peut se déplacer dans les deux sens sous l action du fluide. L effort en poussant (tige sortant) est légèrement plus grand que l effort en tirant (entrée de la tige) car la pression n agit pas sur la tige. Position repos, tige rentrée Position active, tige sortie Ou Ou Double effet à amortissement non réglable A Double effet à amortissement réglable A Tampons amortisseurs Avantages : plus grande souplesse d utilisation ; réglage plus facile de la vitesse, par contrôle du débit à l échapement ; amortissements de fin de courses, réglable ou non, possibles dans un ou dans les deux sens. Ils offrent de nombreuses réalisations et options. Inconvénients : ils sont plus coûteux. Utilisation : les plus utilisés industriellement, ils présentent un grand nombre d applications. Amortissement de fin de course : il est indispensable aux vitesses ou cadences élevées et sous fortes charges. Si l énergie à amortir est modérée on utilise des blocs en élastomère, les dispositifs avec tampons amortisseurs sont recommandés aux plus hautes énergies. Dès que le tampon entre dans son alésage, le fluide à l échappement est obligé de passer par l orifice A plus petit. La réduction du débit provoque une surpression créant l amortissement. - PRINCIPAUX VÉRINS PARTICULIERS OU SPÉCIAUX : (Voir Site Web : ezzahraoui.jimdo.com)
5- DÉTERMINATION D UN VÉRIN : 5.1- Données nécessaires : Efforts exercés dans les deux sens, en poussant et en tirant, vitesse de la tige, condition de service : amortissement et énergie cinétique à dissiper (E c = 1/2 m V 2 )... a- Grandeurs physiques d entrée et de sortie : Puissance d entrée Puissance de sortie Type de puissance Peumatique ou Mécanique de Mécanique de hydraulique (Watt) translation (Watt) rotation (Watt) Grandeurs caractéristique q v (m 3 /s) P (N/m 2 ) V (m/s) F (N) C ω (rad/s) (Couple en N.m) Équation P e = P qv P s = F V P s = C ω Effort en poussant Effort en tirant F F F π 2 2 F ' 2 2 2 2 P = alors : F = P S = P D = P π R P = alors : F' = P S' = P π ( D d ) = P π ( R r ) S S ' 5.2- Caractéristiques dimensionnelles : Une fois le type choisi, à partir des données, il faut déterminer le diamètre D de l alésage et la course C de la tige. Le diamètre de la tige d dépond du diamètre du piston D (normalisé). D 8-10 12-16 20 25 32 d 6 8 10 12 D 0 50-63 80-100 125 d 1 18 25 32 Remarque : La fin de course se fera en butant sur les fonds du vérin ou sur des butées extérieures. 5.3- Efforts théoriques exercés : Efforts théoriques développables en sortie ou en entrée de tige en fonction de la pression d utilisation Exercice 1 : Dans le cas d un vérin pneumatique avec D = 100 mm ; d = 30 mm. Calculer les efforts théoriques exercés en poussant et en tirant si la pression d alimentation est de 6 bars. Exercice 2 : Dans le cas d un vérin hydraulique avec D = 100 mm ; d = 30 mm. Calculer les efforts théoriques exercés en poussant et en tirant si la pression d alimentation est de 2 MPa. 2 2 2 Rep Ex1 : En poussant : Fth = P S = P π D = P π R = 6 3,1 5 = 71daN 2 2 2 2 2 2 En tirant : F ' th = P S ' = P π ( D d ) = P π ( R r ) = 6 3,1 (5 1,5 ) = 28,61daN 2 2 2 Rep Ex2 : En poussant : Fth = P S = P π D = P π R = 2 3,1 50 = 18800 N 2 2 2 2 2 2 En tirant : F' th = P S' = P π ( D d ) = P π ( R r ) = 2 3,1 (50 15 ) = 171 N
5.- Rendement : Les frottements internes au vérin (joint d étanchéité et bague de guidage) amènent une perte d énergie et une baisse du rendement η (pertes de 10 ou 12% pour les vérins pneumatiques de bonne construction). le vérin dans ce cas développe un effort de poussée réel. Exercice 3 : Reprenons les données de l exemple 1. Si les pertes énergitique est de 12%. Calculer l effort réel exercés en poussant le piston. Rep Ex3 : Fréel 2 En poussant : P = alors : Fréel = η Fth = η P S = (1 0,12) 6 π5 = 1, 8daN η S Et : Fréel = Fthéorique Ffrottement Ex- La pièce de masse 10 kg repose sur du sable fin et sec avec : S 1 = 50 cm 2 ; S 2 = 15 cm 2 ; S 3 = 10 cm 2. 1- Calculer les pressions P 1 ; P 2 ; P 3 en Pa, bar, et en dan/cm 2? 2- Conclure. Ex5- Sur la tige d'un vérin on place une masse de 3000 kg, l'alésage du cylindre du vérin est de 80 mm 1- Calculer la force pressante exercée sur l huile? 2- Calculer la surface pressée? 3- Calculer la pression en Pa, en bar? Ex6- La section du piston d'une presse étant de 300 cm 2 et la pression étant de 200 bars. Calculer la force de cette presse en dan et N? Ex7- Une force de 10 tonnes s'exerce sur un vérin de 10 cm. Calculer la pression en bar. Ex8- La pression de travail est de 250 bar. Quelle est la force pressante F? La force F1 de l'équipage outil + piston + tige est de 2000 dan. Quelle est la pression nécessaire pour maintenir cette charge F 1? Ex9- Le piston d'un vérin a une surface de 0 cm 2. Ce vérin reçoit un débit de 2 l/min. Quelle est : 1- La vitesse V de déplacement en sortie de tige. 2- La durée de la course si celle-ci fait 20 cm. 3- La vitesse V pour la rentrée de tige, avec un même débit q ; (S 2 = 15 cm 2 ) Ex10- Un vérin Double effet a pour section côté piston 0 cm 2. II reçoit un débit q de 36 l/min. La pression de service est de 80 bars. Calculer : 1- La puissance fournie par le vérin 2- La puissance nécessaire au récepteur sachant que le rendement global de l'installation est de 60 %. 5.5-Contre-pression d échappement : Elle est employée pour régler et réguler (maintenir constante) la vitesse de la tige ; le réglage est obtenu par régleurs placés à l échappement. Cette contre-pression, amène un effort antagoniste supplémentaire. Isolons le piston + la tige : Bilan des efforts extérieurs : F théorique = F charge + F frottement + F contre-pression = P.S F charge : effort nécessaire pour déplacer la charge seule. Taux de charge = F F charge théorique
5.6-Fixation et montage des vérins : Les fabricants proposent une gamme importante de fixations pour implonter les vérins. Deux fixations suffisent en général : une à l avant en bout de tige (cas A, B, C) ou sur le fond (D, E, F) plus une à l arrière (G, H, I) ou au milieu (J, J, J ). Suivant les fixations choisies, la position du vérin et les charges exercées, certains calculs de vérification (flambage, flexion...) peuvent devenir nécessaires. A rotule B chape C écrou et contre écrou D bride ou plaque avant E patte de fixation F équerre avant G rotule arrière H tourillon ou pivot I patte arrière J J tourillon ventrale réglable J 6- RÉGLAGE DE LA VITESSE DES VÉRINS : Le limiteur de débit et le réducteur de débit unidirectinnel (régulateur de débit) permettent de contrôler la vitesse maximale de la tige et de la charge, de fournir une vitesse constante sur sur l essentiel de la course, d amortir dans certaines limites en fin de course, ou encore de ralentir la descent d une lorurd charge. 6.1- Limiteur de débit : C est une restriction réglable, généralement implantée sur les orifices d échappement du distributeur. Dans le cas d un vérin pneumatique double effet, l utilisation d un distributeur 5/2 est nécessaire si l on souhaite des réglages différents pour la sortie (A+) ou l entrée (A-) de la tige. Principe réducteur de débit réglable Exemple d implantation Avantages : Simple ; compact ; facile à implanter. Inconvénients : En pneumatique, le réglage de la vitesse est imprécis si le distributeur est loin du vérin, l association des distributeurs est impossible.
6.2- Réducteurs de débits unidirectionnels : (Régulateur de débit) Très utilisés, placés entre le distributeur et le vérin, ils contrôlent le débit, c est-à-dire la réduction, dans un seul sens de circulation et reste neutre dans l autre cas. Ils peuvent être implantées sur le vérin, ce qui permet des vitesses plus précises en pneumatique ; sur le distributeur ou encoure entre les deux selon le l accessibilité. Principe du réducteur de débit unidirectionnel réglable Exemple d implantation Avantages : Liberté d implantation ; rendent possible la collecte des échappements, l utilisation d un /2 à la place d un 5/2 et l association des distributeurs en platine. Inconvénients : Plus encombrant ; plus de raccordements et de branchements. 6.3- Différents types de régulation : a- Régulation à l échappement : Ctte méthode est la plus utilisée. La régulation de la vitesse est obtenue par un régleur placé sur le circuit d échappement. Cette solution engendre une contre-pression de régulation dans la chambre à l échappement. Sans régulation Régulation de sortie A+ Régulation des deux Contrôle de la descente d une charge b- Régulation à l admission : La régulation est réalisée en contrôlant le débit de fluide entrant dans la chambre motrice. Rarement utilisée avec les vérins double effet, elle peut être une solution dans le cas des vérins simple effet.
Ex 11- L effort de serrage que doit exercer le vérin de bridage est de 6500 N. Si le diamètre d alésage D est de 125 mm. 1- Déterminer la pression théorique nécessaire. (0,529 MPa) 2- Que devient cette pression s il existe un frottement engendrant des pertes de 5%. (0,502 MPa) Ex 12- Calculer les efforts théoriquement développables, en poussant et en tirant, d un vérin (D = 100 et d = 25) si la pression d utilisation est de 500 kpa. (en poussant : 3925 N) ; (en tirant : 3679,68 N) Refaire la question si les pertes par frottement sont de 12%. (en poussant : 35 N) ; (en tirant : 3218.118N) Ex 13- La masse de la charge à soulever est de 700 kg. Les pertes par frottements internes sont estimées à 12%, la pression d alimentation en air est de 6 bars. Si les forces d inertie et la contre-pression sont négligées. Déterminer le diamètre du piston. (129,95 mm) Ex 1- Déterminer le diamètre d un vérin capable de soulever une charge de 100 dan lorsque la pression d air utilisée est de 0,7 MPa et le taux de charge de 0,7. (50,98 mm) Ex 15- Calculer la consommation d air (débit par minute) d un vérin de diamètre D = 80 mm (diamètre de tige 22 mm) et d une course de 00 mm. 5 cycles (aller/retour) par minute sous une pression de 6 bars. (0,01857 m 3 /min)