Circuits de transmissions hydrostatiques

Transcription

Circuits de transmissions
hydrostatiques
par
Louis MARTIN
Ingénieur de l’École nationale supérieure d’hydraulique de Grenoble
Chef du service Prospective de Poclain Hydraulics
1.
Symbolisation des composants ...........................................................
2.
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
Différents types de circuits ..................................................................
Circuit fermé.................................................................................................
Circuits ouverts symétrique ou dissymétrique .........................................
Circuits série ou parallèle............................................................................
Circuit à maintien de pression....................................................................
Circuit à commande de débit......................................................................
Circuit à régulation de puissance ...............................................................
Circuit à pesée de charge............................................................................
—
—
—
—
—
—
—
—
6
6
7
8
9
10
11
12
3.
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
Auxiliaires de commande ......................................................................
Commande assistée de cylindrée ..............................................................
Commande de distributeurs à tiroir...........................................................
Technologie des distributeurs à tiroir ........................................................
Schémas de distributeurs à tiroir ...............................................................
Accessoires de distribution.........................................................................
Valves spéciales ...........................................................................................
Composants électrohydrauliques ..............................................................
—
—
—
—
—
—
—
—
13
13
14
16
18
18
20
23
4.
4.1
4.2
4.3
Auxiliaires de circuit...............................................................................
Tuyauteries. Flexibles. Raccords. Joints tournants ..................................
Composants passifs ....................................................................................
Capteurs de pression, débit, vitesse, température ...................................
—
—
—
—
25
25
28
30
5.
5.1
5.2
5.3
Applications classiques de transmissions hydrostatiques ..........
Applications fixes : machines-outils et robots ..........................................
Matériel mobile. Translation .......................................................................
Matériel mobile. Équipements ...................................................................
—
—
—
—
31
31
32
36
Pour en savoir plus...........................................................................................
BM 6 050 - 2
Doc. BM 6 050
i les pompes, les moteurs et les vérins sont les éléments principaux des
transmissions hydrostatiques, il faut également de nombreux composants
pour bâtir les circuits adaptés à chaque fonction.
Deux grandes familles de circuit correspondent à deux types d’utilisation :
— les circuits fermés sont adaptés aux fonctionnements continus, de rendement élevé, et utilisant des récepteurs rotatifs ;
— les circuits ouverts sont avantageux quand plusieurs récepteurs doivent
être entraînés les uns après les autres, surtout si ces récepteurs sont des
vérins.
Dans les deux cas, les organes de commande, de distribution ou de régulation existent sous un grand nombre de variantes. Le choix des schémas doit
S
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© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique
BM 6 050 − 1
CIRCUITS DE TRANSMISSIONS HYDROSTATIQUES
___________________________________________________________________________________________
être guidé par les fonctions et qualités recherchées : fiabilité, progressivité,
sécurité, rapidité, poids, prix, durée de vie, maintenance, etc.
Quelques exemples d’applications montrent, en fin de cet article, les domaines où les transmissions hydrostatiques connaissent un développement important.
Le lecteur se reportera utilement aux articles :
— BM 6 031 Pompes et moteurs ;
— BM 6 060 Assemblage et conception de circuits.
1. Symbolisation
des composants
Les documents de référence sont les normes AFNOR
NF ISO 1219-1 et NF ISO 1219-2.
Les règles de tracé des circuits sont traitées dans la norme
NF ISO 1219-2 dont nous donnons un extrait sur la figure 1.
Pour simplifier la compréhension des schémas utilisés dans les
paragraphes suivants, nous avons établi un tableau de symboles
extrait de la norme NF ISO 1219-1 (tableau 1). Certains autres symboles seront détaillés dans le paragraphe 4.
Les normes nationales et internationales définissent les symboles à utiliser pour représenter les différents composants de circuits
hydrauliques.
1 accumulateur type 543-S-160-010,0-H
b4
b3
Avance du plateau
100 cm3
75 N.m à 30 bar
40 tr/min
36 bar
Azote
543-S-160-010,0-H
2L
11
140 bar
15
3 contact à pression
4 crépine (100 mm - 4 L/min)
10
5 distributeur 2/2
1
2
2
63/36x50 b1
6 distributeur 4/2
4
12
1
14
1
7
14
Serrage
8 limiteur de pression
9 moteur électrique
1
100 bar
8
8
10 moteur hydraulique
2
2
60/80 bar
30 bar
1
40 bar 10 x 1 10 x 1
12
2
4
12
5
14
2
13 réservoir (50/40 L, fluide HM-32 ; cf. article 6 060
Assemblage et conception des circuits dans ce traité)
6x1
3
1
11 manomètre
12 pompe
3
6
7 distributeur 4/3
3
1
b2
17
3
2 clapet de non-retour
14 robinet de vidange
2
1 2 1
10 x 1 10 x 1
10 x 1
2
6x1
40 bar
2
2
2
1
6x1
16
2
6x1
1
140 bar
11
3 kW
1 500 tr/min
1
9
12
90
bar
8
2
4
4 L/min
15 robinet d'isolement
16 réducteur de pression
17 vérin double effet
13
Note : tous les tubes sont de 16 x 1,5 sauf ceux indiqués.
Les dimensions sont exprimées en millimètres.
Figure 1 – Exemple de schéma d’un circuit hydraulique, d’après norme NF ISO 1219-2
BM 6 050 − 2
___________________________________________________________________________________________ CIRCUITS DE TRANSMISSIONS HYDROSTATIQUES
Tableau 1 – Symboles hydrauliques
(d’après norme ISO 1219-1)
Tableau 1 – Symboles hydrauliques (suite)
Clapet de non-retour :
Soupape de séquence :
– à ressort
Réservoir :
– à l’air libre
– sous pression
– piloté (pour ouvrir)
Filtre, crépine :
– avec étranglement
Robinet d’isolement :
Refroidisseur ou réfrigérant :
Sélecteur de circuit :
– huile-air
Mesure de pression :
manomètre
ou
– huile-eau
Réducteur de débit :
– non réglable
Raccord rotatif à un passage :
– réglable
Régulateur de débit :
Diviseur de débit :
Détaillé
Réducteur de pression ou détendeur :
– série à débit fixe
– sans orifice de retour
ou d’échappement
Simplifié
6
– sans orifice de retour
ou d’échappement et réglé
à distance
– dérivation à débit fixe
Limiteur de pression :
– série à débit variable
– à commande pilote
6
Limiteur proportionnel
de pression :
– dérivation à débit variable
BM 6 050 − 3
___________________________________________________________________________________________
Distributeurs : voies ou canaux
Servodistributeur électrohydraulique :
– 1 voie
– à 1 étage
– 2 orifices fermés
– 2 voies
– à 2 étages avec
asservissement mécanique
– 2 voies, 1 orifice fermé
– 2 voies avec raccordement
transversal
– à 2 étages avec
asservissement hydraulique
– 1 voie en by-pass,
2 orifices fermés
Distributeur 2/2 :
Vérin à simple effet :
Détaillé
– à commande manuelle
– à rappel par force non définie
– à commande par pression
avec rappel par ressort
– à rappel par ressort
Distributeur 3/2 :
Vérin à double effet :
– à commande par pression
des deux côtés
– à simple tige
– à commande électromagnétique avec rappel par ressort
– à double tige traversante
Distributeur avec
étranglement :
– à 2 orifices (1 étranglement)
– à 3 orifices (2 étranglements)
– à 4 orifices (4 étranglements)
BM 6 050 − 4
,,
,,
,
,
Vérin avec amortisseur :
– fixe d’un côté
– fixe des deux côtés
– réglable d’un côté
– réglable des deux côtés
Simplifié
Pompe hydraulique à cylindrée fixe :
– à un sens de flux
Pompe-moteur à cylindrée variable :
– à inversion du sens de flux
– à deux sens de flux
– à un seul sens de flux
Pompe hydraulique à cylindrée variable :
Moteur hydraulique à cylindrée fixe :
Variateur hydraulique :
Pompe à deux étages, entraînée par un moteur électrique avec
limiteur de la pression de sortie et limiteur proportionnel de
pression piloté par la pression de sortie qui maintient la pression
du 1er étage, par exemple à la moitié de la pression du 2e étage
Pompe hydraulique à cylindrée variable :
M
Moteur oscillant hydraulique :
Pompe-moteur à cylindrée fixe :
Moteur hydraulique à deux sens de rotation avec limiteurs de
pression
– à inversion du sens de flux
– à un seul sens de flux
BM 6 050 − 5
___________________________________________________________________________________________
2. Différents types de circuits
Réservoir
Filtres
2.1 Circuit fermé
Échangeur
Un circuit fermé comporte essentiellement une pompe et un
moteur. Il est caractérisé par le fait que l’huile utilisée par le moteur
revient directement à la pompe sans passer par le réservoir.
Soupapes de
surpression
2.1.1 Exemple de circuit fermé
Un exemple est donné sur la figure 2.
P2
Valve
d'échange
P1
Ce circuit permet de transmettre de la puissance de la pompe P1
au moteur ou du moteur à P1 . Il est réversible (inversion de couple). Pour une vitesse donnée de P1 , il permet deux sens de rotation du moteur (inversion de marche).
Moteur à
cylindrée
fixe
La pompe de gavage P2 permet de maintenir une pression minimale dans les conduites du circuit fermé.
La valve d’échange permet de prélever dans la branche du circuit
à la plus basse pression le débit d’huile en excédent.
P1
P2
Les soupapes de surpression limitent la pression dans la branche du circuit à la pression la plus élevée. C’est donc une sécurité
de couple maximal sur l’arbre du moteur.
Le réservoir est de capacité faible, environ le quart du volume
d’huile passant par le circuit principal en une minute. Le filtre et
l’échangeur de température permettent de maintenir un niveau faible de pollution et de température.
On prend une pompe à cylindrée Cp réglable de – 80 à + 80 cm3/
tr entraînée à 2 000 tr/min par un moteur Diesel. Le débit maximal
qmax sera de 160 L/min dans le circuit principal.
La pompe de gavage fait 16 cm3/tr, donc le débit de gavage sera
de 32 L/min.
La pression de gavage est de 15 bar, ce qui représente une puissance perdue en permanence pour le gavage :
32 × 15
Pg = ------------------- = 0,8 kW
610
La cylindrée CM du moteur est de 50 cm3/tr. Il tourne donc entre
0 et 3 200 tr/min dans chaque sens.
La pression de tarage des soupapes est de 420 bar, ce qui correspond à un couple maximal sur l’arbre moteur :
1
} max = ----------- 420 × 50 × 10–3 = 33 m · daN
0,63
La puissance maximale transitée dans le circuit est de :
160 × 420
Pmax = -------------------------- = 110 kW
610
pompe de gavage
retour de fuite
Figure 2 – Circuits fermés
Le nombre de Reynolds dans la tuyauterie, pour une viscosité
cinématique de 40 mm2/s, est :
–2
2.1.2 Exemple chiffré de circuit fermé
Pour la définition des différents paramètres, se reporter à l’article
[BM 6 031] Pompes et moteurs de ce traité.
pompe à cylindrée variable
8,5 × 2 × 10
- = 4 250
Re = ----------------------------------–6
40 × 10
Nota : 1 cSt = 1 mm2/s = 10–6 m2/s ;
1 bar = 105 Pa.
L’écoulement est turbulent et la perte de charge par mètre de
tuyauterie est :
1
880
œ 1
∆p = 0,04 ---- × --- ρ u 2 = 0,04 × ----------- × ---------- × (8,5)2
0,02
2
d 2
= 63 600 Pa ≈ 0,64 bar
On peut donc admettre des longueurs de tuyauterie de l’ordre de
10 m entre pompe et moteur en conservant une pression de
gavage supérieure à :
pg = 15 – 10 × 0,64 = 8,6 bar
Le filtre monté sur le refoulement de la pompe de gavage a une
filtration de 10 à 15 µm pour un β10 > 75 (cf. article BM 6 060
Assemblage et conception de circuits ). Comme il ne passe que
32 L/min, il est de dimension réduite (environ 1 dm3).
Le réfrigérant, placé sur le circuit de retour de la valve
d’échange, passe lui aussi 32 L/min. Suivant le facteur Ks de service du circuit, il sera capable d’évacuer 5 800, 11 600 ou 17 400 kW
soit 5 000, 10 000 ou 15 000 kcal/h (1 000 kcal/h équivalent à
1,57 ch). Un réfrigérant ventilé de 5 800 kW (5 000 kcal/h) a une
masse d’environ 10 kg.
L’ensemble des éléments du circuit (réservoir plein compris)
pèse 160 kg.
Le réservoir a une capacité de 40 L.
Les tuyauteries ont un diamètre intérieur de 20 mm, ce qui
donne une vitesse maximale pour l’huile :
4 × 0,160
vmax = 4qmax /(πD 2) = ----------------------------------------= 8,5 m/s
2
π × ( 0,02 ) × 60
BM 6 050 − 6
2.1.3 Transmission de puissances positive
et négative
Dans un circuit fermé, la pompe et le moteur peuvent indifféremment jouer le rôle de pompe ou de moteur.
}
Réservoir
B
A
0
C
S2
S1
N
D
Distributeur
S2
Pompe
Figure 3 – Diagramme de transmission de puissance
Moteur
hydraulique
(récepteur)
a circuit symétrique
La rotation du moteur étant possible dans les deux sens, on peut
représenter les conditions de fonctionnement du moteur par le graphique de la figure 3. On voit apparaître quatre zones différentes :
—
—
—
—
zone
zone
zone
zone
Réservoir
A : la vitesse N et le couple } sont positifs ;
B : N est négatif, } est positif ;
C : } et N sont négatifs ;
D : } est négatif, N est positif.
Dans les zones A et C, la transmission de puissance est positive
de la pompe vers le moteur. Dans les zones B et D, elle est négative, donc le circuit fonctionne en freinage.
S1
Robinet
Moteur
hydraulique
(récepteur)
Pompe
Les courbes } · N = Cte délimitent les secteurs à puissance plus
ou moins grande.
b circuit dissymétrique
Suivant les applications, tout ou partie du graphique peut être
utilisé. Il peut y avoir dans la commande de cylindrée de la pompe
un asservissement limitant la vitesse du moteur suivant le couple
mesuré par l’intermédiaire des pressions du circuit.
S1 , S2 soupapes de surpression
Figure 4 – Circuits ouverts
Nous verrons au paragraphe 5.2 les applications classiques de ce
circuit fermé.
2.2.2 Caractéristiques des circuits ouverts
2.2 Circuits ouverts symétrique
ou dissymétrique
Les récepteurs utilisés dans les circuits ouverts sont des moteurs
hydrauliques ou des vérins.
Dans le cas d’un vérin, on ne peut avoir qu’un fonctionnement
discontinu puisque la course du vérin est limitée.
Un circuit ouvert, composé essentiellement d’une pompe et d’un
récepteur, est caractérisé en ce que la pompe aspire directement
dans le réservoir.
D’une façon générale, le circuit ouvert se prête bien aux fonctionnements discontinus et à variation rapide de vitesse ou
d’effort.
On dit qu’il est symétrique quand le récepteur peut être entraîné
dans l’un et l’autre sens. Il est dissymétrique quand un seul sens
est utilisé.
La caractéristique principale de ces circuits est donc la rapidité
de manœuvre.
2.2.1 Schémas de base
Dans les deux cas (figure 4), on voit apparaître :
— une pompe ;
— un récepteur (ici un moteur hydraulique) ;
— une soupape de surpression S1 ;
— un réservoir avec échangeur et filtres.
En plus, apparaît sur la figure 4a un distributeur dont le rôle est
d’inverser le sens de circulation d’huile dans le moteur.
Sur le schéma de la figure 4b, l’huile passe toujours dans le
même sens, mais le robinet Ro permet d’arrêter et de démarrer le
moteur.
Les variantes de ces circuits résultent des choix de distributeurs
et valves employés entre la pompe et le récepteur et entre le récepteur et le réservoir. Le détail des fonctions disponibles sera exposé
plus loin (paragraphes 3.3, 3.4, 3.5, 3.6 et 3.7).
Les caractéristiques secondaires en sont les conséquences.
Quand le récepteur a une inertie, les accélérations et décélérations
introduisent des efforts dynamiques. Le contrôle et la limitation de
ces efforts dynamiques sont assurés par les soupapes de surpression placées aux différents points du circuit.
Par exemple, la soupape de surpression S1 placée en sortie de
pompe, aussi appelée régulateur de pression, permet de limiter
l’accélération et l’effort moteur transmis par le circuit. Les soupapes de surpression S2 placées entre le distributeur et le moteur de
la figure 4a limitent les décélérations du récepteur.
L’usage de ces soupapes de surpression, ainsi que les laminages
de fluide dans les différentes valves, pour assurer la progressivité
de réglage, entraînent des pertes de puissance qui échauffent le
fluide. La réfrigération du fluide est donc un élément très important
dans les circuits ouverts.
2.2.3 Exemple chiffré de circuit ouvert
Une pompe de cylindrée 20 cm3/tr, entraînée à 1 500 tr/min,
aspire de l’huile dans un réservoir de 50 L de capacité (figure 5).
BM 6 050 − 7
___________________________________________________________________________________________
p (bar)
350
qr
Réservoir
50 L
1 500
tr/min
2
Pompe
30
L/min
20 cm3/tr
1
p
Manocontact
électrique
200 mm
350
bar
,
,
,
5 mm
Masse
Vérin
5 000
kg
Figure 5 – Exemple de circuit ouvert
0
x (mm)
t (s)
200
0
t (s)
qr (L/min)
60
0
t2 = 1,2
t3 = 2
t1 = 0,007
t5 = 0,61
t (s)
t4 = 0,03
p pression
qr débit de retour
x course
Le débit est donc :
q = 20 × 10–3 × 1 500 = 30 L/min
Un régulateur limite la pression de sortie à 350 bar.
Figure 6 – Cycle de travail
La puissance disponible dans le circuit est donc :
30 × 350
P = ----------------------- = 17,5 kW
600
Le débit de 30 L/min passe par un distributeur à trois positions
et va alimenter un vérin de 63 mm d’alésage et 45 mm de tige.
Ve 1
Ve 2
Réservoir
La course du vérin est de 300 mm.
Le vérin entraîne un outillage de presse horizontale, ayant une
masse de 5 000 kg, dont l’effort résistant n’est important que sur
les cinq derniers millimètres de course.
1
2
Une fin de course électrique ramène le distributeur en position
centrale après 200 mm de course retour.
Les sections du vérin sont de 31 et 15 cm2.
1
Pompe
2
Distributeurs
Ve 1 , Ve 2 vérins
Les efforts disponibles sont donc 110 000 et 53 000 N.
Les vitesses du vérin sont de 16 et 33 cm/s.
Un cycle de travail (figure 6) se décompose de la manière
suivante : à l’instant zéro, le distributeur est actionné en position ➀
(figure 5) ; le vérin commence à sortir. L’accélération disponible
est de :
110 000
γ = -------------------- = 22 m/s2
5 000
La vitesse de 16 cm/s est atteinte en :
16
t1 = ------------- = 0,007 s
2 200
Figure 7 – Exemple de circuit série
le débit de 30 L/min fait monter la pression de 0 à 350 bar en 0,04 s
(coefficient de compressibilité de 15 000 bar).
Dans l’exemple ci-avant, on peut aussi noter que l’énergie
consommée par cycle est d’environ 34 000 J (17 000 W pendant
2 s) et que le travail utile n’est que de 550 J (110 000 N × 0,005 m) ;
donc, la puissance transformée en échauffement dans le circuit est
importante. Si le cycle, qui dure 3,90 s, se reproduit toutes les 6 s,
la puissance thermique à évacuer est de 6 kW (ou 5 100 kcal/h).
La pointe de pression au démarrage est donc très courte.
Le vérin parcourt alors 195 mm en t2 = 1,2 s à pression faible
(due aux pertes de charge).
Les 5 mm de travail se font à pleine pression pendant t3 = 2 s
puis il y a inversion du sens de marche par passage du distributeur
en position ➁ (figure 5). L’accélération de 10,6 m/s2 dure t4 = 0,03 s
pour que la vitesse de 33 cm/s soit atteinte.
Le retour jusqu’en fin de course dure t5 = 0,61 s.
2.3 Circuits série ou parallèle
Dans les circuits ouverts comportant plusieurs récepteurs, il y a
possibilité d’alimenter simultanément ces récepteurs avec le même
générateur. Plusieurs branchements sont possibles. Nous allons en
décrire quelques-uns et noter les conséquences de chaque cas.
On voit notamment sur ce cycle que le débit de retour qr au
réservoir varie entre 15 et 60 L/min, ce qui peut provoquer des
coups de bélier dans les conduites.
2.3.1 Branchement en série
On peut chiffrer le temps de montée en pression p du vérin en
début de course active. Le volume mort est alors de 900 cm3, donc
Cet exemple (figure 7) est présenté avec des vérins Ve1 et Ve2 ,
mais il peut aussi bien être réalisé avec des moteurs hydrauliques.
BM 6 050 − 8
Quand les distributeurs sont en position centrale, le débit sortant
de la pompe traverse les deux éléments de distributeurs et ressort
sans pression. Les deux vérins, bloqués par les distributeurs, restent immobiles, quel que soit l’effort qui leur est appliqué, s’il ne
provoque pas de pression supérieure au tarage des soupapes de
sécurité.
Si un distributeur passe en position ➀, le vérin correspondant est
alimenté. Il bouge, et la pression demandée à la pompe est fonction de l’effort résistant. Le débit refoulé par le vérin est égal au
débit de la pompe multiplié par le rapport des sections.
Si les deux distributeurs passent en position ➀, le refoulement
du vérin Ve1 sert à alimenter le vérin Ve2 , qui donc est à la même
pression. En conséquence, la vitesse de déplacement du vérin Ve2
est, dans un rapport donné, celle du vérin Ve1 . La pression de sortie de pompe est dans ce cas-là fonction des efforts résistants sur
les deux vérins. Elle est en général élevée.
Ve 1
Ve 2
Réservoir
Les éléments de la figure 8 sont comparables à ceux de la
figure 7 mais la différence vient du branchement des éléments de
distributeur.
En effet, quand les deux distributeurs sont actionnés simultanément, le débit de la pompe arrive sur les deux alimentations des
vérins. Si un vérin demande de la pression et l’autre pas, seul le
vérin le moins chargé bouge. Les débits se répartissent en fonction
des pertes de charge des deux circuits. La vitesse obtenue sur chaque récepteur est inférieure à celle obtenue lorsque chacun est alimenté séparément.
Ce schéma correspond en général à des pressions de sortie de
pompe plus faibles que pour le schéma série.
Pour corriger les vitesses des vérins, et les forcer à bouger en
même temps, il faut freiner l’alimentation du vérin le moins chargé
pour faire monter la pression à la valeur suffisante pour alimenter
l’autre.
Les conséquences d’un branchement parallèle sont donc :
— indépendance des vitesses ;
— égalité des efforts disponibles ;
— réduction de vitesse en manœuvres combinées.
2.3.3 Effet différentiel
Quand deux récepteurs identiques sont branchés en permanence en parallèle, leurs couples de sortie sont égaux mais leurs
vitesses peuvent être différentes. Examinons plus en détail ce cas
avec pour exemple des roues hydrauliques, c’est-à-dire des
moteurs hydrauliques entraînant directement les roues d’un engin
(figure 9).
Les vitesses des roues étant N1 et N2 , leurs couples étant } 1 et
} 2 , on a N1 + N2 = Cte et } 1 = } 2 .
2
2
Figure 8 – Exemple de circuit parallèle
q
Ces caractéristiques peuvent être utilisées pour mouvoir un système articulé ; elles sont cependant délicates.
2.3.2 Branchement en parallèle
1
Ve 1 , Ve 2 vérins
Les conséquences d’un branchement série sont donc :
— synchronisation ;
— sommation des pressions ;
— possibilité de transfert d’énergie d’un récepteur sur l’autre.
Il faut noter que, dans un branchement série, la position relative
des récepteurs (amont ou aval) conditionne les possibilités de
manœuvres combinées.
1
Pompe
q1
q2
N1
N2
}1
}2
∆p
q
Figure 9 – Exemple de récepteurs en parallèle
aussi d’être motrice. Dans une transmission mécanique, cet inconvénient est combattu par un bloquage du différentiel qui intervient
après un glissement préréglé.
L’équivalent hydraulique est le diviseur de débit placé à la jonction entre les deux roues. Ce diviseur de débit est une valve freinant le débit de la roue qui tourne le plus vite. Ainsi, on réalise
N1 = N2 et } 1 ≠ } 2 .
Sur la figure 9, le débit q alimente l’ensemble des deux roues ;
les débits q1 et q2 alimentent chacune des deux roues (q = q1 + q2).
La différence de pression ∆p est la même pour les deux roues s’il
n’y a pas de diviseur de débit ( } 1 = } 2 ). Mais s’il y a un diviseur
de débit, il réalise q1 = q2 avec des différences de pression ∆p1 et
∆p2 distinctes ( } 1 ≠ } 2 ).
2.4 Circuit à maintien de pression
Les circuits à maintien de pression conservent au repos une sortie à pression constante de façon à pouvoir alimenter à tout
moment un récepteur sans avoir à comprimer de volume mort. Il
y a deux types principaux de circuit à maintien de pression.
2.4.1 Circuit à accumulateur et conjoncteur
disjoncteur
Cela est analogue aux relations qui existent entre les couples et
les vitesses de roues reliées par un différentiel mécanique.
Le circuit représenté sur la figure 10 comporte une pompe, un
accumulateur, un clapet antiretour, un conjoncteur disjoncteur et
des distributeurs à centre fermé, c’est-à-dire ne laissant pas passer
le fluide d’alimentation en position repos.
En cas de virage, les roues peuvent donc tourner à des vitesses
différentes tout en restant motrices. Par contre, l’inconvénient est
que, en cas de rupture d’adhérence sur une roue, l’autre cesse
La pompe débite en permanence. Si la pression dans l’accumulateur est inférieure à une valeur p1 , le conjoncteur disjoncteur se
ferme et le débit, forcé de passer par le clapet, vient gonfler l’accu-
BM 6 050 − 9
___________________________________________________________________________________________
Réservoir
Réservoir
Accumulateur
Conjoncteur
disjoncteur
Ressort
Valve
Vérin
Pompe
Clapet
antiretour
Pompe
Distributeurs
Distributeurs
Réservoir
Vérin
Exemple : on peut avoir :
— une pression de conjonction p1 = 210 bar ;
— une pression de disjonction p2 = 280 bar.
L’accumulateur dispose, entre 210 et 280 bar, d’une quantité d’huile
pouvant être utilisée par le circuit sans provoquer la mise en pression
de la pompe.
L’avantage est donc de disposer de débits instantanés importants sans avoir de générateur puissant, à condition que ces débits
ne soient utilisés que pendant des temps très courts.
Pompe à
cylindrée
réglable
Limiteur
de vitesse
mulateur. Si la pression dans l’accumulateur dépasse une valeur
p2 , le conjoncteur disjoncteur s’ouvre et le débit de la pompe
retourne directement au réservoir. Si la pression de l’accumulateur
est entre p1 et p2 , le conjoncteur disjoncteur reste dans une position stable.
Figure 11 – Exemple de circuit à pompe autorégulatrice
Soupape de
surpression
Figure 10 – Circuit de regonflage d’accumulateur
Limiteur
de vitesse
Moteur
de
treuil
Sélecteurs
Les circuits d’asservissement fonctionnent souvent avec ce type
de circuit, mais il peut aussi être utile pour des transmissions à
récupération d’énergie ou à facteur de service très faible.
2.4.2 Circuit à pompes autorégulatrices
Le circuit représenté sur la figure 11 comporte une pompe à
cylindrée variable dont le pilotage est fait de la façon suivante :
— un ressort tend à augmenter la cylindrée jusqu’au maximum ;
— un vérin tend à la réduire.
Ce vérin est alimenté par la valve dont les deux positions correspondent soit à l’alimentation en pression du vérin, soit à sa mise
au retour. La valve est elle-même pilotée par la pression de sortie
de pompe qui est équilibrée par un ressort taré. Si la pression de
sortie de pompe est supérieure ou égale à la pression de tarage, la
valve alimente le vérin qui réduit la cylindrée. Si la pression de sortie de pompe chute, la valve laisse revenir le vérin et la cylindrée
augmente.
La fonction remplie est donc le maintien de la pression de sortie
de pompe à la valeur tarée, tant que le débit utilisé n’est pas supérieur au débit maximal de la pompe.
Les pompes autorégulatrices sont généralement réalisées avec
des pompes à palettes ou des pompes axiales à pistons.
Utilisées sur les machines-outils, ces pompes sont aussi celles
qui servent pour l’alimentation des servovalves ou des asservissements en position.
Figure 12 – Circuit à commande de débit
Cette pompe alimente un ou plusieurs récepteurs par l’intermédiaire de sélecteurs. Ces sélecteurs ne peuvent être actionnés que
lorsque le débit est nul. Ils se distinguent des distributeurs car ils
n’ont pas de progressivité.
Ce circuit correspond à un réglage précis et régulier de la vitesse
quand la charge sur le récepteur peut rendre celui-ci moteur et que
la puissance recueillie sur ce récepteur ne doit pas être retransmise
à la pompe. C’est le cas général en manutention et levage.
L’élément principal de ce circuit est la valve appelée limiteur de
vitesse (§ 3.6.3) qui est intercalée entre le sélecteur et la chambre
haute pression du récepteur.
En montée de charge, cette valve ne joue aucun rôle et le débit
va alimenter le récepteur par un clapet.
En descente, cette valve est normalement fermée et son ouverture n’intervient qu’avec la montée en pression de l’autre chambre
du récepteur.
2.5 Circuit à commande de débit
La mise au point d’un circuit avec limiteur de vitesse demande
beaucoup de soin car interviennent dans la stabilité de cet asservissement la masse entraînée par le récepteur et la raideur du circuit hydraulique (cf. article [BM 6 060] Assemblage et conception
des circuits ).
Le circuit à commande de débit (figure 12) comporte une pompe
à circuit ouvert dont on règle directement la cylindrée.
Les circuits à commande de débit peuvent aussi être réalisés en
remplaçant la pompe à cylindrée réglable par une pompe autorégulatrice et un régulateur de débit.
BM 6 050 − 10
2.6 Circuit à régulation de puissance
p (bar)
2.6.1 Intérêt de la régulation de puissance
On est donc amené à réduire la cylindrée de la pompe en fonction de la pression utilisée. Quand cette réduction se fait automatiquement, on dit que l’on a une régulation de la puissance de la
pompe. Il serait plus correct de dire que l’on a une régulation du
couple d’entrée de la pompe, mais le terme consacré est régulation
de puissance.
2.6.2 Exemple chiffré de régulation de puissance
Prenons une pompe de 50 cm3/tr de cylindrée maximale. Elle est
entraînée à 2 500 tr/min. Son débit maximal est donc 125 L/min.
Elle débite dans un circuit dont la pression maximale est 350 bar.
La puissance représentée par le produit du débit maximal par la
pression maximale (puissance Pa ) est donc :
p0 q0
350 × 125
Pa = ------------ = -------------------------600
600
300
Dr1
P
Pour une pompe à cylindrée variable, le produit du débit maximal par la pression maximale de sortie représente une puissance
d’habitude beaucoup plus élevée que celle disponible sur l’arbre
d’entraînement de la pompe. Par ailleurs, cette puissance n’est
généralement pas utile dans le circuit alimenté par la pompe. En
effet, dans la plupart des transmissions, on a besoin de vitesse ou
d’effort, mais rarement des deux à la fois.
Pa = 72 kW
p0
350
0 =
30
kW
200
q0
Dr2
100
0
0
25
50
75
100
125
q (L/min)
Dr1 , Dr2
p0
P0
Pa
q0
caractéristiques données par une régulation double pente
pression maximale
puissance maximale
puissance apparente
débit maximal
Figure 13 – Régulation de puissance
≈ 73 kW
Le moteur d’entraînement de la pompe ne fait que P0 = 30 kW.
Le débit de 125 L/min ne peut donc être obtenu que pour une
pression inférieure à 146 bar, et, à 350 bar, le débit maximal possible n’est que de 52 L/min.
La représentation graphique de ces valeurs est portée sur la
figure 13.
Les caractéristiques Dr 1 et Dr 2 sur ce graphique correspondent à
des solutions technologiques de régulation exposées au paragraphe 2.6.3. Elles correspondent à des points de fonctionnement de
puissance légèrement inférieure à P0 .
F0
Réservoir
Vérin
Valve
d'asservissement
F1
Levier de variation
de cylindrée
F2
p
2.6.3 Réalisation d’une régulation de puissance
sur pompe à cylindrée variable
Plusieurs solutions technologiques existent. Nous exposons
(figure 14) l’une des plus simples et des plus utilisées.
Pompe à
cylindrée
variable
F0 , F1 , F2 ressorts
p
pression de sortie de pompe
Le ressort F0 maintient à l’arrêt la cylindrée de la pompe à sa
valeur maximale.
Un vérin vient réduire cette cylindrée quand il est alimenté par
la valve. Cette valve est en équilibre sous l’action de la pression de
sortie de pompe p et de la somme de l’action des ressorts F1 et F2 .
La compression des ressorts augmente quand la cylindrée diminue, le ressort F1 étant précontraint en position de cylindrée maximale et le ressort F2 ne rentrant en action qu’après une première
réduction de cylindrée.
Les raideurs des ressorts et leurs précontraintes déterminent la
position des caractéristiques Dr 1 et Dr 2 de la figure 13.
Toutes ces grandeurs sont réglables et permettant, pour une
même pompe, d’avoir plusieurs puissances régulées distinctes.
D’autres accessoires de réglage peuvent être ajoutés à ce
schéma, par exemple :
— annulation de cylindrée pour la pression maximale ;
— sommation de puissance de plusieurs corps de pompes ;
— télécommande de changement de puissance.
Figure 14 – Pompe à régulation de puissance
Le temps de réponse de ce genre de régulation est de l’ordre de
0,2 s pour la réduction complète de la cylindrée.
2.6.4 Réalisation d’une régulation de puissance
avec une pompe multidébit
Rappel : une pompe multidébit est une pompe à plusieurs sorties à cylindrée fixe (corps de pompe).
On réalise une régulation de puissance en groupant plusieurs
corps de la même pompe sur un circuit par l’intermédiaire de valves de séquence (figure 15).
BM 6 050 − 11
___________________________________________________________________________________________
p (bar)
P1
P2
P3
Pa = 69 kW
A3
p0 = 350
P4
300
Cl1
Cl2
p
V1
V2
A2
235
200
175
B2
A1
B1
P0 = 34,5 kW
P1 = 32 kW
100
Cl1 , Cl2
p
P1 , P2 , P3 , P4
V1 , V2
clapets antiretour
pression de sortie
corps de pompes
0
0
30
p0
P0
P1
Pa
q0
valves de séquence
Figure 15 – Exemple de pompe multidébit
Exemple : une pompe à quatre corps de 12 cm3/tr chacun tourne à
2 500 tr/min, donc débite 4 × 30 L/min. Deux corps sont connectés
directement à l’utilisation (pression ρ ). Les deux autres corps ne sont
connectés que si la pression est inférieure à 175 bar et à 235 bar.
Les points de fonctionnement A1 , A2 et A3 (figure 16) correspondent à :
— A1 : 120 L/min et 175 bar ;
— A2 : 90 L/min et 235 bar ;
— A3 : 60 L/min et 350 bar ;
ils sont donc tous trois à des puissances de 35 kW.
Les points de fonctionnement B1 et B2 correspondent à :
— B1 : 90 L/min et 175 bar ;
— B2 : 60 L/min et 235 bar ;
ils ont donc respectivement des puissances de 26 et 23 kW.
L’expérience montre que l’on peut entraîner ce montage avec un
générateur de 32 kW environ, si les points de fonctionnement au-dessus de 32 kW ne sont que momentanés.
Le temps de réponse des valves de séquence est de l’ordre de
0,05 s et les variations de débit dans l’utilisation sont plus brutales que
dans l’exemple exposé au paragraphe 2.6.3.
60
90
q0 = 120
q (L/min)
pression maximale
puissance maximale
puissance du générateur
puissance apparente
débit maximal
Figure 16 – Diagramme de puissance avec pompe multidébit
,
,
Réservoir
F1
Levier de variation
de cylindrée
Pompe à
cylindrée
variable
Vérin
d'asservissement
Valve de
pilotage
p
F2
Le nom courant d’un tel circuit est sa dénomination anglaise
load sensing.
Distributeurs
à pesée
de charge
Ls
Ce montage présente l’avantage d’un rendement et d’une fiabilité élevés. Par contre, il n’est compatible qu’avec les circuits à
débit rapidement variable.
2.7 Circuit à pesée de charge
Récepteur
Sélecteurs
F1 ressort de rappel à cylindrée maximale
F2 ressort de pilotage
Ls tuyauterie de pilotage
Figure 17 – Circuit load sensing
2.7.1 Intérêt d’un circuit à pesée de charge
Avec une pompe à cylindrée variable, nous avons déjà vu le
montage en pompe autorégulatrice (§ 2.4.2) et le montage en régulation de puissance (§ 2.6.3).
Dans le premier cas, la pompe fonctionnait à pression maximale,
dans le second cas à puissance maximale.
La régulation à pesée de charge fait travailler la pompe à la pression et au débit réclamés par le récepteur, sous réserve que la puissance correspondant à cette demande ne dépasse pas la puissance
disponible.
BM 6 050 − 12
2.7.2 Description d’une réalisation
La pompe à pesée de charge (figure 17) ne fonctionne qu’avec
des distributeurs adaptés qui sont aussi à pesée de charge.
Ces distributeurs sont à centre fermé, c’est-à-dire que, dans leur
position repos (centrale), l’orifice branché sur la sortie de pompe
est fermé. Dans les positions de travail, l’orifice qui doit être alimenté par la pompe est d’abord mis en communication avec la
ligne de pilotage Ls qui retransmet au régulateur de la pompe la
pression existant à ce moment-là dans le récepteur.
Vérin
d'asservissement
Valve de
pilotage
Distributeurs
à pesée de charge
,
,
F2
p
Réservoir
F1
Pompe à
cylindrée
variable
Vt
Ls
vitesse du diesel près de son maximum, la valve Vt est en position
fermée et le fonctionnement de la pompe principale P est identique
à celui exposé au paragraphe 2.7.2.
Quand la vitesse du diesel chute, la perte de charge dans le diagramme diminue et la valve Vt s’ouvre, faisant artificiellement chuter la pression de Ls . La valve V vient alimenter le vérin en
réduisant la cylindrée de la pompe P. Le couple prélevé au diesel
chute donc jusqu’à retrouver la valeur correspondant à sa vitesse
nominale.
F3
Pt
Diaphragme
3. Auxiliaires de commande
3.1 Commande assistée de cylindrée
F1
F2 , F3
Ls
Pt
Vt
ressort de rappel à cylindrée maximale
ressort de pilotage
tuyauterie de pilotage
pompe tachymétrique
valve tachymétrique
Figure 18 – Circuit à régulation tachymétrique
La valve permet alors au vérin d’augmenter la cylindrée de la
pompe jusqu’à ce que la pression de sortie p soit égale à la
pression de pilotage ps plus celle pf correspondant au tarage du
ressort F2 :
p = ps + p f
La valeur courante de pf est de 15 bar.
Cette pression sert à compenser les pertes de charge entre la
pompe et le distributeur, et, à l’intérieur du distributeur, dans la
section de passage qui sert à régler le débit envoyé au récepteur.
Plusieurs récepteurs, donc plusieurs distributeurs, peuvent être
branchés sur la même pompe en parallèle. Dans ce cas, la pompe
est pilotée par la plus élevée des pressions de pilotage.
Les efforts de manœuvre des pompes à circuit fermé sont généralement importants et fonction des conditions d’utilisation.
Pour obtenir une conduite précise, stable et réclamant peu
d’efforts, les pompes sont équipées de commandes hydrauliques
assistées dont le schéma de principe correspond à celui de la
figure 19.
L’entrée de cette commande assistée peut être mécanique (levier
ou câble), pneumatique (vérin), hydraulique (manipulateur basse
pression), électrique (vérin électrique) ou électronique (servovalve).
Les solutions à servovalves, malgré leur coût élevé, semblent se
développer au détriment des autres. Elles sont particulièrement
appréciées quand plusieurs pompes doivent être contrôlées simultanément.
L’assistance hydraulique fonctionne en commande suiveuse,
c’est-à-dire que la valve de point fixe alimente les vérins de
manœuvre Ve1 et Ve2 pour qu’ils ramènent toujours cette valve à
sa position centrale.
La pompe d’assistance peut éventuellement être la même que
celle qui sert au gavage du circuit fermé.
2.7.3 Principales utilisations et adaptations
Ce système, à l’origine employé sur les accessoires de tracteurs
agricoles, tend à s’implanter sur un grand nombre d’engins mobiles, surtout lorsqu’il y a un grand nombre de vérins à alimenter
avec une seule pompe.
Levier d'assistance
Levier de
commande
F3
Des variantes de ce circuit existent avec des pompes à cylindrée
fixe, la variation de débit étant alors obtenue par une valve.
Ce système fonctionne pour les pompes entraînées par moteur
Diesel, donc où la régulation d’injection du moteur est telle que
lorsque la puissance prélevée au moteur dépasse une valeur prédéterminée, la vitesse de ce moteur chute.
Exemple : un moteur Diesel fournissant 70 kW à 2 200 tr/min
(donc un couple de 30 m · daN) chute à 2 000 tr/min si on lui demande
32 m · daN, 1 800 tr/min si on lui demande 34 m · daN.
La régulation tachymétrique se fait suivant le schéma de la
figure 18.
Une petite pompe à cylindrée fixe Pt est accouplée à la pompe
principale P et débite dans un diaphragme. La perte de charge du
débit de la pompe Pt dans ce diaphragme est comparée à un ressort précontraint F3 . Quand le débit est normal, c’est-à-dire la
Ve1
Pompe principale
F1
F2
Ve
Levier de 2
manœuvre
Réservoir
La régulation de puissance, ou plus exactement la limitation de
puissance de sortie est généralement réalisée par un pilotage
annexe appelé régulation tachymétrique.
Valve de point fixe
Pompe d'assistance
Soupape
d'assistance
F1 , F2
ressorts de rappel à débit nul
F3
ressort de rappel de la commande
Ve1 , Ve2 vérins de manœuvre
Figure 19 – Commande assistée de pompe à circuit fermé
BM 6 050 − 13
F5
___________________________________________________________________________________________
Vérin à
double effet
F4
Tiroir du
distributeur
F0
Levier de
rétroaction
Levier manuel
Moteur couple
Tiroir de
servovalve
Ve1
Levier de
manœuvre
Pompe
principale
C2
Pi1
Po1
Ve2
Came
Pompe d'assistance
F1 , F2
F4
F5
Ve1 , Ve2
F1
C1
Réservoir
F2
Soupape
d'assistance
F1
Distributeur
ressorts de rappel à débit nul
ressort d'ajustement du zéro
ressort de rétroaction
vérins de manœuvre
F2
C1 , C2
F0
F1 , F2
Pi1, Pi2
Po1 , Po2
Pi2
Po2
conduites de télécommande
ressort de rappel du tiroir
ressorts de rappel
pistons d'émission de la pompe
poussoirs
Figure 21 – Télécommande hydraulique de distributeur
(d’après document Marrel Hydro)
Figure 20 – Commande par servovalve de pompe à circuit fermé
3.2.1 Commande manuelle
Si les temps de manœuvre n’ont pas besoin d’être trop rapides
(par exemple de zéro au débit maximal en 1 s), le débit d’assistance nécessaire n’est que de 2 à 5 L/min environ. La pression
nécessaire pour ces assistances est suivant les cas, de 10, 20 ou
35 bar.
La figure 20 représente le montage d’une commande à servovalve.
Les servovalves employées pour ces commandes de cylindrées
sont plus rustiques que celles servant aux asservissements à haute
pression. Il faut cependant veiller au niveau de pollution (cf. article
[BM 6 060] Assemblage et conception de circuits) pour éviter des
déréglages et hystérésis.
3.2 Commande de distributeurs à tiroir
L’élément principal de distribution dans un circuit ouvert est un
distributeur à tiroir.
Il possède généralement trois positions dont une de repos ou de
sécurité et deux autres correspondant aux mouvements en deux
sens inverses du récepteur.
Il existe une très grande variété de distributeurs à tiroir :
—
—
—
—
d’après
d’après
d’après
d’après
leur mode de commande (§ 3.2.6) ;
leur débit nominal (§ 3.3.3) ;
leurs fonctions internes (§ 3.4) ;
leurs valves associées (§ 3.5.4).
Ils sont reliés au circuit soit directement par des tuyauteries
(flexible ou rigide), soit par des plaques de base ou des blocs forés.
Le choix d’un distributeur bien adapté n’est donc pas simple et
demande la connaissance complète des fonctions à assurer.
BM 6 050 − 14
Elle fonctionne en tirant et en poussant par l’intermédiaire d’un
levier, d’un câble ou d’une tringle.
3.2.2 Télécommande hydraulique
Elle fonctionne par l’intermédiaire de deux conduites basse pression poussant un côté ou l’autre du distributeur et alimentées par
une pompe manuelle. Ce montage correspond à la figure 21.
On note que, dans ce système, la sensation d’effort est retransmise au levier de commande, ce qui est particulièrement utile pour
les manœuvres de précision. Cette télécommande est surtout utilisée pour les distributeurs de petite puissance (10 à 50 kW).
Le fonctionnement de cette télécommande est le suivant : un
levier actionné par le conducteur fait pivoter la came qui pousse un
piston Pi1 par l’intermédiaire du poussoir Po1 . L’huile, chassée par
Pi1 , alimente le vérin par la conduite C1 .
Le tiroir du distributeur est donc actionné de la gauche vers la
droite et comprime le ressort F0 . L’huile chassée par la chambre
droite du vérin retourne par C2 dans la chambre du piston Pi2 et
peut sortir dans le corps de la pompe, car le poussoir Po2 dégage
le trou d’évacuation de ce piston.
Le rappel en position centrale de la pompe est assuré par les ressorts F1 et F2 , même en absence de réaction du distributeur.
3.2.3 Pilotage hydraulique (par deux pressions réglées)
Ce principe est illustré sur la figure 22.
Il est employé pour les distributeurs de grosse puissance (de 30
à 300 kW) et permet la télécommande, les commandes assistée et
sensitive. Il nécessite une pompe d’alimentation à basse pression
(30 ou 35 bar), de 6 à 20 L/min de débit, suivant les tailles et le
nombre des distributeurs actionnés.
On voit sur la figure 23a que le réglage des ressorts F1 , F2 , F3
et F4 (figure 22) permet d’obtenir sur le levier un couple de maintien en position centrale même sans pression de pilotage.
α
Levier du
manipulateur
Régulateur de
pression de
pilotage
Pompe de
pilotage
Po1
Po2
F1
F2
p
Diaphragme
d'irrigation
Cl2
Cl1
Tp2
Tp1
F0
Tiroir du
distributeur
Distributeur
C2
C1 , C2
Cl1 , Cl2
F1 , F2
F0 , F3 , F4
Po1 , Po2
Tp1 , Tp2
F4
C1
F3
conduites de pilotage
clapets d'irrigation
ressorts de réglage de pression
ressorts de rappel de tiroir
poussoirs
tiroirs de réduction de pression
}2
La viscosité joue un grand rôle dans le temps de réponse de
ce système de télécommande. Aussi, sur les engins mobiles
ayant à fonctionner au froid, ajoute-t-on un circuit d’irrigation
des conduites de pilotage C1 et C2 (figure 22) réalisé par deux
clapets antiretour Cl1 et Cl2 et un diaphragme qui prélève un
léger débit sur le circuit de pilotage (par exemple, 0,5 L/min). Ce
débit retournant à travers le manipulateur avec une faible perte
de charge (1 à 2 bar), ne perturbe par l’équilibre du tiroir du distributeur.
3.2.4 Pilotage électrohydraulique
Ce système (figure 24) actionne les mêmes distributeurs que
ceux pilotés par le système hydraulique décrit au paragraphe 3.2.3.
p
p1
p2
La cylindrée de pilotage d’un distributeur est couramment de 5
à 10 cm3 et les temps de manœuvre de l’ordre de 0,1 s, ce qui fait
que les débits de pilotage sont au maximum de 6 L/min par élément de distributeur. Les tuyauteries de pilotage utilisées ont des
diamètres intérieurs de 5 à 8 mm selon les distances.
Les manipulateurs décrits ci-avant permettent aussi d’actionner
les pompes à cylindrée réglable décrites au paragraphe 2.1.
Figure 22 – Télécommande assistée de distributeur
} p
On voit également sur la figure 23b que la position x du tiroir du
distributeur correspond aux pressions de pilotage p1 et p2 avec des
caractéristiques résultant de la flexibilité et de la précharge de F0 .
On utilise couramment des ressorts à double flexibilité de façon à
obtenir une partie de course plus progressive que l’autre.
}1
α
0
a couples
,,
,,
,
,
p1
p2
0
b pressions
Carte
électronique
+
–
Levier
x
Potentiomètre
No1
α
inclinaison du levier du manipulateur (figure 22)
}1 , }2 couples de rappel du levier
p1 , p2
x
pressions réglées dans C1 et C2
déplacement du tiroir du distributeur
Figure 23 – Diagramme de télécommande
Bo1
No2
Bo2
Tp1
Pompe principale
Tp2
C2
C1
Distributeur
Le boîtier de pilotage est appelé manipulateur. Son fonctionnement est le suivant : le levier est appuyé sur un des deux poussoirs Po1 ou Po2 . Le poussoir Po1 comprimant le ressort F1 est
appuyé sur le tiroir Tp1 avec un effort proportionnel à l’angle
d’inclinaison α du levier.
Le tiroir Tp1 s’enfonce, mettant la conduite C1 en communication
avec la pression de pilotage p réglée pour le régulateur. La pression dans C1 monte jusqu’à équilibrer Tp1 . On obtient donc un
réglage de la pression dans C1 et C2 fonction de l’angle α. La caractéristique du manipulateur est portée sur la figure 23.
Bo1 , Bo2
C1 , C2
No1 , No2
Tp1 , Tp2
bobines électriques
conduites de pilotage
noyaux d'électroaimant
tiroirs de pilotage
Figure 24 – Pilotage électrohydraulique
BM 6 050 − 15
___________________________________________________________________________________________
Le manipulateur est remplacé par un réducteur de pression électrohydraulique et le levier de commande est remplacé par une
commande électronique analogue à celle qui commande une
servovalve.
Le réducteur de pression électrohydraulique fournit une pression
de sortie proportionnelle à l’intensité alimentant la bobine Bo1 de
l’électroaimant.
Connecteur
électrique
Bobine de
l'électroaimant
Poussoir
de sécurité
Ressort
de rappel
Tiroir
L’intensité du courant est réglée dans la carte électronique suivant une loi prédéterminée à partir de l’information fournie par le
potentiomètre actionné par le levier. Le noyau No1 de l’électroaimant a un profil spécial, tel que l’effort qu’il transmet au tiroir
Tp1 soit fonction uniquement de l’intensité qui le traverse et pratiquement indépendant de sa propre position.
Enveloppe
3.2.5 Commandes électriques directes
Ce sont des commandes de position par électroaimant. La plus
simple comporte uniquement deux électroaimants et deux ressorts de rappel agissant directement sur le tiroir du distributeur
(figure 25).
Noyau de
l'électroaimant
Distributeur
Figure 25 – Électrodistributeur direct
Le tiroir du distributeur est maintenu en position centrale par le
ressort.
Distributeur principal
Le noyau magnétique baigne dans l’huile du conduit de retour
du distributeur.
La bobine entoure le noyau protégé par son enveloppe et est
branchée sur le circuit électrique par le connecteur.
Un poussoir permet d’actionner le distributeur en cas de défaut
d’alimentation électrique.
Ces distributeurs sont tout ou rien, donc ne permettent pas de
maintenir le tiroir en position intermédiaire. Ils sont employés pour
des faibles puissances (1 à 20 kW).
C2
C1
F2
F1
Pour des puissances supérieures, on emploie des distributeurs
à deux étages dont l’étage pilote est justement un de ces électrodistributeurs (figure 26).
L’alimentation hydraulique du distributeur pilote est prise en
dérivation de celle du distributeur principal.
Le schéma du distributeur pilote est tel que, en absence de courant, le distributeur principal revienne en position centrale.
Des étranglements sur les conduites C1 et C2 permettent de
régler les temps de déplacement du distributeur principal.
Distributeur pilote
C1 , C2 conduites de pilotage
F1 , F2 ressorts de rappel du tiroir principal
Figure 26 – Électrodistributeur à deux étages (d’après document Bosch)
Les circuits électriques de commande de ces distributeurs sont
très simples, ce sont des interrupteurs ou des relais. Ils existent en
courant continu ou alternatif. Les puissances des bobines sont de
10 à 30 W.
a commande manuelle
e commande mécanique
b indexage en position
f rappel en position centrale
c pilotage pneumatique
g pilotage hydraulique
d électrodistributeur
h électrodistributeur à deux étages
3.2.6 Représentation des modes de commandes
La figure 27 récapitule les principaux types de commandes de
distributeurs.
Certaines commandes peuvent être mixtes, par exemple
manuelles et pilotées, ou avec deux pilotages distincts de chaque
côté. Dans tous les distributeurs pilotés, quand le ressort de rappel
n’est pas schématisé, il correspond à un rappel en position centrale.
3.3 Technologie des distributeurs à tiroir
Un distributeur à tiroir fait communiquer ou isole plusieurs orifices tout en ayant une position peu influencée par les pressions et
les vitesses des fluides contrôlés.
BM 6 050 − 16
Figure 27 – Représentation des commandes
A
B
σ
Fente de
progressivité
T
K1
K2
x
G1
Tiroir
P
Corps
G2
G3
G4
R
G5 G6
Clapet
antiretour
A, B, P, R, T orifices
G1 , …, G6 gorges d'alimentation
K1 , K2 , K3 gorges du tiroir
Figure 28 – Coupe d’un distributeur série
3.3.1 Description technologique
Le dessin en coupe d’un distributeur élémentaire (figure 28)
donne un exemple d’élément de distributeur série (§ 2.3.1).
Sur cette figure, le tiroir du distributeur est représenté en
position centrale, la communication étant assurée entre l’alimentation P et le retour R, cependant que les utilisations A et B sont isolées.
σ1
σ1
σ2
σ5
K3
Ressort
de rappel
,
,
σ3
,
,
σ4
x
0
course du distributeur
(position du tiroir par rapport à sa position centrale)
σ1 section de passage de G1 à G2
G1 , …, G6 définis sur la figure 28
Figure 29 – Diagramme de progressivité
ment de contrôler exactement la position du tiroir par un des
moyens décrits au paragraphe 3.2.
3.3.3 Pertes de charge dans le distributeur
Les pertes de charge indiquées dans les fiches techniques des
distributeurs ne concernent que les positions extrêmes et la position centrale du distributeur. Ce sont ces pertes de charge qui
déterminent le débit nominal du distributeur.
Le calibre d’un distributeur correspond à son débit nominal.
Suivant les types de distributeurs et de circuits, les pertes de
charge au débit nominal sont comprises entre 5 et 10 bar. Ces pertes de charge varient en fonction parabolique du débit réellement
utilisé.
La gorge G1 communique avec P, les gorges G2 et G6 communiquent avec R. La gorge G3 communique avec A, la gorge G5 communique avec B, et la gorge G4 communique avec P par
l’intermédiaire d’un clapet antiretour.
La figure 30 représente les plans de pose des calibres 3 à 10 du
CETOP (Comité Européen des Transmissions Oléohydrauliques et
Pneumatiques) et indique leurs débits nominaux.
La gorge K1 du tiroir permet le passage de G1 à G2 . Les gorges
K2 et K3 restent étanches par rapport à G2 , G4 et G6 .
3.3.4 Fuites
Si on déplace le tiroir, par exemple vers la droite, la gorge K1
devient étanche par rapport à G1 , donc le débit ne peut plus passer
de P à R. En même temps, on ouvre le passage entre K2 et G4 et
entre K3 et G6 , donc le débit peut passer de P vers A si la pression
de P est supérieure à celle de A (autrement, le clapet antiretour
empêche le débit d’aller de A vers P ). Par ailleurs, le débit peut
passer de B à R. Le mouvement du récepteur est possible par alimentation de A vers B.
L’étanchéité d’un distributeur à tiroir n’est pas absolue. Elle
résulte du jeu (de l’ordre de 5 à 25 µm) entre le tiroir et le corps du
distributeur, de la pression et de la viscosité de l’huile. Les fuites
courantes pour des pressions de 300 bar et des viscosités de
46 mm2/s sont de l’ordre de 20 cm3/min pour des petits distributeurs (20 L/min de débit nominal) et jusqu’à 100 cm3/min pour des
gros (200 à 300 L/min de débit nominal).
Si on déplace le récepteur en sens inverse, les fonctions sont
identiques de B vers A.
La variation du débit de fuite est théoriquement proportionnelle
à la pression et inversement proportionnelle à la viscosité. En fait
elle varie souvent suivant une loi :
ν 0 p 1,5
Q f = Q 0 -----  ------
ν p0
3.3.2 Progressivités
Les pertes de charge dans les sections de passage du distributeur varient pour un débit donné en fonction de la position
du tiroir. Un exemple de variation de section est donné sur la
figure 29. Ces variations de section peuvent être faibles sur une
partie de la course et fortes ensuite. Le but est de régler de façon
précise des petits débits au moment de la mise en vitesse du
récepteur. Cela est réalisé pour des fentes de progressivité
(figure 28) sur le tiroir.
Le calage relatif des courbes de progressivité permet, en position intermédiaire du tiroir, de contrôler la pression et le débit dans
le récepteur en agissant soit sur l’alimentation, soit sur le retour.
On dit que l’on est en position de laminage. Cela nécessite évidem-
avec p0 , ν0 et Q0
pression, viscosité et débit de fuite de
référence.
L’exposant 1,5 tient compte des déformations induites par la
pression.
3.3.5 Entraînements hydrodynamiques
L’équilibrage axial du tiroir est théoriquement réalisé par la géométrie des gorges. En fait, l’écoulement à grande vitesse de l’huile
dans les fentes de progressivité (§ 3.3.2) provoque une poussée
BM 6 050 − 17
___________________________________________________________________________________________
0,75
Exemple : ordre de grandeur pour un débit de 120 L/min
(= 2 × 10–3 m3/s), V = 100 m/s, α = 0,3, ρ = 880 kg/m3 :
21,4
0,75
6
P
T
A
B
6,3
46
T
A
32,5
16,25
26,5
32,5
T
B
3,2
19
16,7
27,75
27
40,5
a CETOP 3
Cet entraînement n’est pas négligeable et perturbe la commande
directe des distributeurs de grosse puissance. C’est la raison pour
laquelle les distributeurs de plus de 50 kW (ou 100 L/min) ne sont
pas à commande manuelle.
P
10,25
b CETOP 5
37,3
3.4 Schémas de distributeurs à tiroir
50,8
101,6
54
88,1
76,6
112,7
65,9
94,5
50
77
34,1
Les distributeurs à tiroir sont désignés d’après le nombre de
leurs orifices et des positions de service.
Exemple : un distributeur 4/3 a 4 orifices et 3 positions.
Les orifices sont repérés par des lettres majuscules : A, B, C,... orifices vers les récepteurs, P alimentation en pression, R retour pouvant
être en pression, T retour réservoir, S, X, Y conduits de pilotage.
29,4
L
X
46
73
Y P
T
A
B
17,4
5,6
4,6
74,6
19
92,1
71,5
69,8
55,6
L
15,9
T
34,9
A
14,3
B
P
57,2
Y
1,6
18,3
X
Fa = 0,3 × 880 × 2 × 10–3 × 100 ≈ 53 N
17,5
53,2
c CETOP 7
d CETOP 8
100,8
130,2
82,5
Le schéma des connexions internes est porté sur des rectangles
dont chacun correspond à une position.
Les distributeurs proportionnels ont des traits supplémentaires
doublant les grands côtés du rectangle.
Les distributeurs progressifs ont des traits interrompus quand il
y a ambiguïté.
Quelques exemples de schémas sont donnés sur la figure 31.
14,3
B
Y
Pour réaliser à l’intérieur des blocs de distribution les fonctions
de sécurité, de pilotage ou de gavage, on ajoute certaines valves
dont quelques exemples sont décrits ci-après.
44,4
34,9
79,4
130,2
123,8
158,7
3.5 Accessoires de distribution
X
A
DR
T P
76,2
114,3
3.5.1 Soupapes de surpression ou amortisseurs
147,6
168,3
e CETOP 10
190,5
Les entrées-sorties repérées par des lettres sont définies au
paragraphe 3.4.
Les cotes sont exprimées en millimètres.
Calibre CETOP
3
5
Débit nominal........(L/min)
20
40
Diamètre tuyauterie (mm)
6,3 11,2
7
8
10
160 240 540
19
23,4
36
Figure 30 – Calibres CETOP et plan de pose
axiale proportionnelle à la quantité de mouvement du fluide de la
forme :
Fa = αρQV
avec
Fa
poussée axiale tendant à refermer la section
d’écoulement,
α
ρ
Q
V
coefficient de forme des fentes (0,2 < α < 0,4),
masse volumique de l’huile,
débit passant dans la progressivité,
vitesse de l’huile dans la section progressive.
BM 6 050 − 18
Situées sur les orifices de sortie, ces soupapes sont des limiteurs
de pression qui s’ouvrent à une pression préréglée (tarée). Ils protègent ainsi les récepteurs contre les surcharges. Le symbole graphique est porté sur la figure 35.
La qualité essentielle de cette valve est son temps de réponse,
l’ouverture complète demande, suivant les modèles, de 1 à 10 ms.
Il faut aussi, qu’au-dessous de la pression d’ouverture, elle reste
parfaitement étanche, que la perte de charge dépende peu du débit
et que l’écoulement se fasse sans vibration et avec peu de bruit.
Toutes ces qualités sont difficiles à obtenir simultanément.
Deux soupapes de types classiques sont représentées sur la
figure 32, avec leurs courbes d’ouvertures respectives. La
première (figure 32a ) est une soupape directe, la seconde
(figure 32b ) est une soupape pilotée, dont le clapet est normalement suréquilibré.
Les montées en pression du fluide dans les récepteurs étant souvent consécutives à des effets d’inertie, la limitation de pression
correspond à une limitation de décélération, donc à un amortissement du mouvement, d’où le terme souvent employé d’amortisseur.
3.5.2 Clapets antiretour
Une application de ces clapets est le gavage des récepteurs correspondant au maintien d’un minimum de pression dans les orifices du récepteur après que l’on ait coupé l’alimentation et le retour
normal (cf. article [BM 6 031] Pompes et moteurs dans ce traité).
P
P
A
P
T
A
a sélecteur deux voies 2/2
T
A
c distributeur progressif 3/2
b sélecteur 3/2
P
T
P
T
A
B
A
B
d distributeur 4/3 centre fermé, cylindre bloqué
(servovalve)
P
T
A
B
e distributeur 4/3 centre ouvert,
cylindre ouvert
f distributeur 4/3 centre fermé, cylindre ouvert
P
A
R
B
g élément 5/3 de distributeur série
P
P
R T B
h élément 6/3 de distributeur parallèle
A
P
R T B
i
élément 6/4 avec position float
A
A
T X B
j élément 5/3 de distributeur load sensing (§ 2.7)
Quelques technologies de clapets sont représentées sur la
figure 33.
Les pertes de charge dans ces clapets sont faibles, de l’ordre de
1 bar à l’ouverture.
Figure 31 – Schéma d’éléments
de distributeurs
Le régulateur de pression est l’organe de protection de la pompe
qui limite la valeur maximale de pression demandée à la pompe.
Dans les circuits ouverts, ce régulateur est souvent situé dans le
bloc distributeur.
Ces différentes valves figurent sur le schéma du distributeur de
la figure 35.
3.5.3 Clapets pilotés
Dans certains cas, l’étanchéité des orifices du récepteur doit être
absolue en position neutre (non alimenté). Comme les tiroirs
n’assurent pas cette étanchéité, on ajoute des clapets antiretour à
la sortie du distributeur. Pour que le débit puisse passer en position d’alimentation, on pilote ces clapets, c’est-à-dire qu’on les
pousse à l’aide de la pression de l’autre orifice ou d’un circuit indépendant de déverrouillage.
La figure 34 représente un clapet piloté double.
3.5.4 Clapets de retenue et régulateurs de pression
Les clapets de retenue sont les clapets antiretour qui se placent
entre la pompe et le tiroir de distributeur et servent à maintenir la
charge dans le récepteur même si la pompe ne peut pas fournir la
pression nécessaire au récepteur, par exemple si cette pompe est
arrêtée ou si le régulateur de pression est taré à une valeur inférieure à la pression statique du récepteur.
3.5.5 Balance pour distributeur à pesée de charge
Cette valve est bien spécifique au distributeur load sensing
(§ 2.7). Elle est intercalée entre la pompe et le tiroir du distributeur
et maintient une différence de pression préréglée (en général
15 bar) entre l’alimentation du tiroir et la sortie. Ainsi la section de
passage dans le tiroir règle le débit allant au récepteur indépendamment de la pression de sortie de pompe. On a un réglage de
débit indépendant de la charge.
La figure 36 donne un exemple d’élément de distribution avec
balance.
Le ressort tend à maintenir le tiroir de balance ouvert, c’est-àdire assurant le passage du débit de P vers C puis vers D.
Quand le tiroir du distributeur est poussé par exemple vers la
droite, D communique avec A et avec la prise de pression dans la
charge LS. La différence de pression entre C et LS tend à refermer
le tiroir de balance. L’équilibre se fait pour la différence de pression
préréglée. On a alors entre D et A une perte de charge indépendante du débit.
BM 6 050 − 19
F1
Réglage de pression
d'ouverture (tarage)
Cl1
___________________________________________________________________________________________
Siège de la soupape
directe
Gavage
Alimentation
Gavage
Alimentation
T
A
a clapet à bille
b clapet à chemise
a soupape directe
Cl2
Pilote
Gavage
Alimentation
F3
F2
Diaphragme de
contrôle du clapet Cl2
Gavage
Alimentation
c clapet à siège vissé
T
d clapet à siège flottant
B
b soupape pilotée
p
Gavage
Alimentation
e clapet guidé
ptA
pfA
ptB
pfB
Figure 33 – Clapets de gavages : technologies
0
qn
q
Vérin
Piston de
pilotage
c caractéristiques pression-débit
Cl1 , Cl2
F1 , F2 , F3
A , B, T
PfA , PfB
PtA , PtB
qn
clapets
ressorts de rappel
orifices d'entrée et sortie des soupapes
pressions de fuite (début d'ouverture)
pressions de tarage
débit nominal des soupapes
F1
Cl1
Cd1
P
Figure 32 – Soupapes : schéma et caractéristiques
3.6 Valves spéciales
A B
A, B, P, T
Cd1 , Cd2
Cl1 , Cl2
F1 , F2
Cl2
Cd2
Distributeur
F2
T
orifices d'entrée et de sortie du distributeur
clapets de décompression
clapets pilotés
ressorts de rappel
Figure 34 – Clapet piloté double
3.6.1 Réducteur de pression
Quand on dispose, comme générateur, d’une source de pression
beaucoup plus élevée que celle nécessaire pour une utilisation, on
a avantage à réduire cette pression par une valve appelée réducteur de pression.
BM 6 050 − 20
C’est le cas, par exemple, quand la source de pression est un
accumulateur ou une pompe autorégulatrice. C’est aussi le cas
quand on prélève du débit haute pression pour alimenter des circuits de pilotage qui ne fonctionnent bien qu’à 25 ou 30 bar.
A
B
Cg1
A
B
Cg2
Sp1
Clapet piloté
double
Distributeur 5/3
Sp2
Clapet de
contrecontre
pression
T
P
T
T
Régulateur
de pression
Clapet de retenue
D
A, B, P, T orifices d'entrée et de sortie du distributeur
Cg1 , Cg2 clapets de gavage
Sp1 , Sp2 soupapes de sécurité
C
LS
Figure 35 – Accessoires de distributeurs
Ressort de
rappel
Tiroir du
distributeur
P
Tiroir de
balance
Clapet de
retenue
A, B, P, T orifices d'entrée et de sortie du distributeur
Le symbole graphique et un exemple de réducteur de pression
sont représentés sur la figure 37.
C
sortie tiroir de balance
D
alimentation tiroir distributeur
LS
prise de pression à pesée de charge (load sensing )
3.6.2 Régulateur de débit
Figure 36 – Distributeur load sensing
Un régulateur de débit sur un circuit d’alimentation sert à éliminer le débit excédentaire disponible au générateur pour ne garder
que le débit préréglé. Il permet donc d’imposer une vitesse à un
récepteur indépendamment de sa charge.
Un exemple de régulateur de débit ainsi que son symbole graphique et un exemple de branchement sont représentés sur la
figure 38.
Le fonctionnement du régulateur de débit est le suivant
(figure 38a ) : tout le débit sortant en B doit passer par le pointeau.
La différence de pression entre A et B qui déterminera le débit
dans le pointeau est telle que le tiroir comprime le ressort et ouvre
la communication entre A et C. Le débit excédentaire en A peut
donc s’échapper pour ne maintenir en A que la pression utile au
récepteur sous le débit préréglé. Le diaphragme amortit le mouvement du tiroir.
Dans le circuit schématisé sur la figure 38d, on voit le rôle du
régulateur de débit. En position centrale du distributeur, le vérin
est bloqué, le débit sortant du régulateur de débit passe sans pression dans le distributeur, le débit excédentaire dérivé en C est donc
aussi sans pression. Si on actionne le distributeur pour alimenter
le vérin, celui-ci sort à la vitesse réglée et à la pression résultant de
sa charge. La limitation de pression, donc d’effort du vérin, correspond à la pression de tarage du régulateur de pression. Quand on
actionne le distributeur pour descendre la charge, le débit sortant
du diviseur de débit revient sans pression au réservoir, la vitesse
de descente du vérin dépend du limiteur de débit qui freine le débit
de retour du vérin. Ce limiteur de débit est aussi souvent appelé
clapet freineur.
Accumulateur
Piston Diaphragme
A
Ressort
T
B
A
B
Tiroir
A
T
a coupe
B
T
b symbole
Récepteur à Récepteur à
pression
la pression de
réduite
l'accumulateur
c application
A, B, T orifices d'entrée et de sortie
Figure 37 – Réducteur de pression à action directe
BM 6 050 − 21
Ressort
___________________________________________________________________________________________
Soupape de sécurité
Diaphragme
T
A
A
B
Tiroir
C
C
B
Pointeau
a coupe
A
Ressort
de rappel
B
Tiroir
Piston
a coupe
A
C
C
B
Soupape de sécurité
c symbole simplifié
b symbole détaillé
b symbole
A
Treuil
Distributeur 5/3
A
Pompe
B
C
Vérin à
simple
effet
C
B
Clapets
antiretour
Régulateur
de pression
Limiteur de débit
unidirectionnel
Régulateur
de pression
d application
c application
A, B, C orifices d'entrée et de sortie
A, B, C, T orifices d'entrée et de sortie
Figure 38 – Régulateur de débit
Figure 39 – Limiteur de vitesse
3.6.3 Limiteur de vitesse
3.6.4 Diviseur de débit
Cette valve a pour fonction de régler les débits de retour, donc
les vitesses des récepteurs dont la charge s’inverse et devient
motrice. C’est le cas courant pour les vérins de manutention ou les
treuils.
Le diviseur de débit est la valve qui répartit dans un rapport
donné le débit d’un générateur entre deux récepteurs nécessitant
des pressions différentes.
Cette valve est aussi appelée parfois soupape d’équilibrage, le
terme anglais étant cunterbalance valve.
Une utilisation de ce diviseur de débit est le blocage de différentiel entre deux roues alimentées en parallèle. On peut aussi s’en
servir pour synchroniser des mouvements ou des vérins.
Le symbole, un exemple et un branchement sont représentés sur
la figure 39.
La figure 40 représente le symbole, un exemple et un branchement de diviseur de débit.
Le fonctionnement de ce limiteur de vitesse ne se fait que pendant la descente du treuil, c’est-à-dire pour un débit de A vers B
(figure 39a ). À la montée, le débit de B vers A passe par le clapet.
Le tiroir est en équilibre entre l’effort du ressort de rappel et la
pression de C appliquée sur le piston.
Le fonctionnement du diviseur de débit représenté sur la
figure 40 n’est assuré que dans un sens, pour la circulation du
débit de A vers B et C.
Si le débit en A est supérieur à celui fourni en C par la pompe
(figure 39c ), la pression de C chute et le ressort tend à fermer le
passage du tiroir, donc la pression en A augmente jusqu’à ramener
le débit en A à la valeur autorisée en C.
Cet asservissement de vitesse est théoriquement instable. La
seule solution pour le stabiliser est de freiner le mouvement du
tiroir, ce qui en fait limite les accélérations en descente du treuil. Le
réglage des accélérations se fait par contrôle de la pression en C.
BM 6 050 − 22
Le tiroir est en équilibre si les pertes de charge des deux débits
passant par le diagramme et le pointeau sont égales. Si ce n’est
pas le cas, le tiroir vient fermer le passage du débit qui est plus
important que prévu, jusqu’à ce que la chute de pression utile dans
le récepteur ralentisse son mouvement.
Le diaphragme étant fixe et le pointeau réglable, on peut avoir
des rapports variés entre les deux débits divisés.
Dans le sens de circulation inverse, les débits passent par des
clapets Cl1 et Cl2 et peuvent donc avoir des valeurs quelconques.
Les vérins Ve1 et Ve2 ne sont synchronisés qu’à la montée.
3.7 Composants électrohydrauliques
Diaphragme fixe
Pointeau réglable
Le développement de calculateurs électroniques numériques, et
surtout leur faible coût d’installation permet maintenant de constituer des ensembles électrohydrauliques à fonctions complexes.
A
Ceci est vrai pour les applications aéronautiques et les applications fixes du type machine outil. Cela devient également courant
pour les applications mobiles.
La liaison entre le circuit hydraulique et le calculateur se fait au
niveau des capteurs (voir § 4.3) et des auxiliaires de commande.
Parmi ces auxiliaires de commande, nous allons décrire deux
exemples caractéristiques de l’évolution des montages électrohydrauliques.
Tiroir
B
C
3.7.1 Limiteur de débit proportionnel
a coupe
Ve1
A
Cl2
B
Ve2
Cl1
B
A
,
C
C
c application
b symbole
A, B, C orifices d'entrée et de sortie
Cl1 , Cl2 clapets antiretour
Ve1 , Ve2 vérins
Nous avons déjà vu (§ 3.1 et § 3.2.4) l’utilisation d’une servovalve et d’un réducteur de pression électrohydraulique pour agir
de façon progressive sur une cylindrée de pompe et sur un distributeur à tiroir. Ces deux composants sont alimentés par des courants continus d’intensité réglée.
Un autre type de commande est maintenant souvent utilisé. Il
s’agit d’un courant électrique basse tension (12 V), pulsé à fréquence stable (par exemple 33 Hz), et dont la durée de mise sous
tension est réglable de 0 à 100 % pour chacun des cycles. On
appelle cette alimentation électrique PWM ( Pulse Width
Modulation ).
En faisant agir ce courant pulsé dans la bobine d’une électrovalve à ouverture très rapide (distance entre la buse et la palette
comprise entre 0,2 et 0,5 mm), on obtient un débit fonction de la
valeur du PWM. En faisant passer ce débit à travers un
diaphragme, on règle une pression de pilotage disponible pour
positionner un tiroir ou un vérin de commande quelconque.
Les figures 42, 43, et 44 représentent l’application de ce principe à une valve faisant office de limiteur de débit proportionnel et
servant à freiner un récepteur (moteur hydraulique) suivant une
consigne issue d’un calculateur.
Figure 40 – Diviseur de débit
12 V
qA
A
a
b
P
Diaphragme
pA = 1 (pB + pC)
2
qB = qC
B
qC
C
Figure 41 – Diviseur de débit à engrenage
D’autres sortes de diviseurs de débits existent, notamment
l’ensemble constitué d’un moteur à engrenages et d’une pompe
accouplés mécaniquement et dont les orifices sont reliés comme
cela est indiqué sur la figure 41. L’avantage de ce système est qu’il
fonctionne sur des circuits d’alimentation ou de retour et que la
puissance inutilisée sur le récepteur le moins chargé est transférée
à l’autre récepteur.
t
C
B
qB
PWM = a /b
0
Clapet de
sécurité G
A
F
Gavage 15 à 30 bar
b temps de cycle du courant de commande
a temps d'alimentation au cours d'un cycle
P sortie de pompe
A alimentation contrôlée du moteur
B retour du moteur
G alimentation hydraulique basse pression de la valve
C chambre de pilotage
PWM Pulse Width Modulation
Figure 42 – Montage du limiteur de débit sur un circuit fermé
BM 6 050 − 23
,,,,,,
Diaphragme
Tiroir
___________________________________________________________________________________________
,,,
,,
,,,,
,,
,,
,,
,,,,
,,
,,,,
Buse
F
Ressort
Clapet de sécurité
sortie de pompe
alimentation contrôlée du moteur
alimentation hydraulique basse pression de la valve
chambre de pilotage
retour de fuites
Section (mm2)
Pression (bar)
10
5
75
H5
H16
20
100
0
Entrée
Calculateur
,
,
Soupapes
Vérin
L’avantage de la commande électrique en PWM, par rapport à la
commande en courant continu, est la simplicité de l’interface entre
le calculateur et l’électrovalve. Il n’y a plus besoin de conversion
numérique/analogique, ni de réglage de gain, de temps de réponse
ou d’amortissement.
16
PWM (%)
40
75
100
3.7.2 Actionneur électrohydrostatique
PWM (%)
H5 calibre 5 mm2
H16 calibre 16 mm2
PWM Pulse Width Modulation
Figure 44 – Caractéristiques du limiteur de débit proportionnel
La figure 42 montre la position de la valve dans un circuit fermé,
entre une pompe et un moteur. Le débit de la pompe peut circuler
de P vers A, ou de A vers P. Dans les deux cas, le freinage se fait
en réduisant la section de passage dans la valve, suivant une
caractéristique fonction de la valeur du PWM.
L’électrovalve est alimentée en fluide hydraulique par une
conduite basse pression (pression de gavage du circuit fermé). Suivant le temps d’ouverture de l’électrovalve, le débit, passant de C
vers F par le diaphragme, subit une perte de charge provoquant
en C une pression de pilotage poussant le tiroir et comprimant le
ressort (voir figure 43). Un clapet limite la pression de pilotage à
une valeur inférieure à celle présente dans l’orifice A. De cette
façon, le limiteur de débit ne permet pas de freinage aboutissant à
une cavitation du moteur.
La caractéristique de pression de pilotage est représentée sur la
figure 44, ainsi que la variation de section de passage à l’intérieur
du limiteur, en fonction du PWM d’alimentation électrique.
Ce type de valve est utilisé sur les circuits de translation
d’engins, quand chaque moteur hydraulique entraîne une roue,
l’ensemble des moteurs étant alimenté par une seule pompe. Ainsi
BM 6 050 − 24
By-pass
les vitesses de chaque roue peuvent être contrôlées, quelles que
soient les conditions d’adhérence de chacune de ces roues. On réalise une boucle d’asservissement en plaçant sur les moteurs des
capteurs de vitesses, dont les lectures sont comparées (à l’intérieur
d’un boîtier électronique) aux valeurs théoriques programmées
pour la translation de l’engin.
10
4
30
Pompe
Figure 45 – Actionneur électrohydrostatique
5
0
Moteur
brushless
Potentiomètre
Figure 43 – Limiteur de débit proportionnel
Déplacement
11 du tiroir
Tachymètre
C
Bobine de
l'électroaimant
A
P
A
G
C
F
Palette
G
P
Accumulateur
Ce type de composant mixte, alliant des éléments électriques,
électroniques et hydrostatiques permet de tirer partie des qualités
complémentaires de ces différentes technologies :
— les moteurs électriques brushless (sans balais) offrent un
réglage de vitesse de rotation précis, rapide et facile à
commander ;
— les composants hydrostatiques (pompe, vérin, valves) offrent
une adaptabilité idéale pour des mouvements linéaires, d’effort
élevé, demandant fiabilité, bon rendement et maintenance aisée ;
— les composants électroniques permettent des boucles
d’asservissement variées, rapides et stables, à des prix relativement modiques.
La figure 45 représente un vérin asservi en position qui peut servir, par exemple, à des gouvernes d’avion, de bateaux ou de
machines.
Le vérin, à double tige, est équipé d’un potentiomètre qui sert de
feedback de position. Les conduits d’alimentation du vérin sont
protégés, contre les surpressions, par deux soupapes intercommunicantes et peuvent être reliés par un by-pass (position flottante du
vérin). Le débit d’alimentation du vérin est donné par une pompe
à cylindrée fixe, pouvant tourner dans les deux sens, et entraînée
par un moteur électrique brushless équipé d’un tachymètre. La
pression dans le carter de la pompe, qui sert également de gavage
aux conduits d’alimentation, est stabilisée par un accumulateur
basse pression (entre 5 et 10 bar). Ainsi, les dilatations et les effets
de compressibilité ne risquent pas de causer de cavitation à l’intérieur du circuit.
Le calculateur, recevant les informations du potentiomètre et du
tachymètre, les compare aux grandeurs d’entrée (position et/ou
vitesse) et envoie dans les enroulements du moteur électrique
le courant électrique correspondant aux écarts entre consignes et
feedbacks.
Pour les utilisations où le vérin doit rester chargé et immobile
pendant un temps long, on peut installer en sortie de pompe des
clapets doubles pilotés comme représentés au paragraphe 3.3.5.
4. Auxiliaires de circuit
Ces aciers permettent des cintrages à froid et des sertissages
sans altérer leur limite de rupture (allongement > 23 %).
Les tableaux dimensionnels de tubes en acier sont donnés par
les normes ISO 4 200 et AFNOR NF A 49-330.
En pratique, ces normes ne sont pas toujours suivies et l’on rencontre par exemple des séries gaz hors normes dont un exemple
est donné dans le tableau 2.
4.1.2 Flexibles
4.1 Tuyauteries. Flexibles. Raccords.
Joints tournants
Ce sont, d’une manière générale, les liaisons entre composants
qui doivent satisfaire aux deux règles suivantes :
— étanchéité absolue jusqu’à des pressions très élevées ;
— perte de charge minimale pour un encombrement ou un prix
donné.
On retrouve, pour tous ces éléments, les notions de :
— coefficient de sécurité pour la tenue en pression ;
— perméabilité ou section équivalente pour les pertes de
charge.
Le coefficient de sécurité est le rapport entre la pression
d’éclatement ou de fuite à température ambiante et la pression
de service. Le coefficient habituel est de 3,5 mais pour certaines
fonctions il peut être porté à 4 ou 6.
Pour les éléments en acier, le coefficient de 3,5 permet de faire
travailler le métal à des contraintes assurant des cycles de fatigue
supérieurs à 107 (cf. article [M 130] Essais de fatigue dans le traité
Matériaux métalliques).
4.1.1 Tuyauteries
Le lecteur pourra se reporter aux articles de la rubrique Chaudronnerie. Tuyauterie Robinetterie de ce traité.
Dans les conditions d’ambiance peu sévères, on utilise de l’acier
à 360 ou 420 N/mm2 de résistance minimale à la traction, sous la
forme de tubes étirés à froid.
Quand il y a risque de corrosion, on utilise de l’acier inoxydable.
Pour relier des points de circuit qui doivent être désolidarisés
mécaniquement, on emploie des tuyauteries flexibles constituées
de tubes en élastomère renforcés par des fils d’acier à haute résistance, assemblés en tresses ou en nappes.
Suivant les pressions, les températures et la nature des fluides,
plusieurs types de flexibles sont à conseiller.
Les plus courants pour les circuits à moyenne pression sont les
flexibles à deux tresses métalliques (classification SAE 100 R2) et
pour les hautes pressions les flexibles à 4 ou 6 spirales métalliques
(SAE 100 R 9 et 10, ou 11).
SAE = Society of Automotive Engineers.
Le tableau 3 donne, pour une gamme de diamètres intérieurs, la
pression de service et le diamètre extérieur de tuyauteries flexibles
correspondant à cinq constructions différentes.
La flexibilité mécanique de la tuyauterie est généralement indiquée par le rayon de courbure minimal tolérable. Les couples de
rappel des flexibles sont aussi à considérer, surtout pour les plus
résistants à la pression.
Un flexible ne doit jamais être vrillé, sinon sa durée de vie en est
très réduite.
La durée de vie d’un flexible se mesure par le nombre de
cycles entre zéro et la pression de service x k pour une température donnée (généralement 50 oC). Les durées de vie courantes
sont de 106 pour k = 1,5 et 107 pour k = 1.
Les limites extrêmes de température sont – 40 oC et 120 oC mais,
au-dessous de 0 oC et au-dessus de 80 oC, il y a des réductions
notables de durée de vie.
Les points délicats des flexibles sont les embouts assemblés par
vissage ou sertissage. La fiabilité des embouts réclame des méthodes d’assemblage suivant des règles très strictes. Il y a toujours
rétrécissement du passage au niveau de l’embout, donc perte de
charge localisée.
Tableau 2 – Gamme de tuyauteries haute pression
Diamètre
extérieur
Épaisseur
Diamètre
intérieur
Pression
d’éclatement
(mm)
(mm)
(mm)
(bar)
Nombre de cycles
à 700 bar
>
106
Pression
nominale
Débit
nominal
(bar)
(L/min)
Désignation
Appellation courante
la plus voisine « gaz »
10
2
6
2 300
600
6
6-10
1/4’’
13,25
2,25
8,75
1 700
> 5 × 105
420
20
8-13
3/8’’
16,75
2,75
11,25
1 600
> 5 × 105
420
40
12-17
1/2’’
21,25
3,25
14,75
1 400
> 5 × 105
360
80
15-21
5/8’’
3/4’’
26,75
3,75
19,25
1 300
>5×
360
140
20-27
33,5
4,55
24,4
1 200
250 000
320
240
24-34
1’’
42,25
6
30,25
1 300
140 000
320
400
30-42
1’’ 1/4
105
50
7
36
1 250
150 000
320
600
36-50
1’’ 1/2
70
10
50
1 300
70 000
320
1 200
50-70
2’’
BM 6 050 − 25
___________________________________________________________________________________________
Tableau 3 – Gamme de tuyauteries flexibles (1)
1 tresse
SAE 100 R1
∅i
2 tresses
SAE 100 R2
3 tresses
4 spirales
SAE 100 R9 et 10
6 spirales
SAE 100 R11
ps
∅e
ps
∅e
ps
∅e
ps
∅e
ps
∅e
(mm)
(bar)
(mm)
(bar)
(mm)
(bar)
(mm)
(bar)
(mm)
(bar)
(mm)
4,77
210
12,7
350
15,9
6,35
190
15,9
350
17,5
490
19
600
17,8
750
24
7,95
175
17,5
300
19,1
550
19,5
9,50
155
19,8
280
21,4
385
23
500
21,4
600
27
12,70
140
23,0
245
24,6
350
26,5
400
24,6
550
31
15,90
105
26,2
190
27,8
300
30
400
28,5
19,05
90
30,2
155
31,8
280
34,5
400
31,3
500
39,7
25,4
70
38,1
140
39,7
210
41,2
350
39,7
450
48,4
31,7
44
46,0
115
50,7
175
52,4
300
50,8
400
54,7
38,1
35
52,3
90
57,1
140
58,7
300
57,1
400
61
50,8
27
66,8
80
69,8
140
69,9
250
70,6
350
75,4
1
1
(1) ps pression de service = --- pression minimale d’éclatement = --- pression d’épreuve.
4
3
∅e diamètre extérieur, ∅i diamètre intérieur.
4.1.3 Raccords
4.1.3.2 Raccords à brides
Le terme de raccord est utilisé pour désigner la pièce qui permet
de relier une tuyauterie flexible ou rigide à l’orifice d’un composant.
Il y a une grande diversité de raccords suivant la fonction à remplir, les contraintes de montage, et le degré de fiabilité recherché.
Pour les sections de passage importantes, les raccords à brides
sont plus fiables et plus faciles à assembler.
Les principaux types sont :
— raccords droits, vissés ou à bride ;
— raccords coudés ;
— raccords orientables ;
— raccords tournants.
4.1.3.1 Raccords vissés
Les implantations vissées sont les plus courantes pour des
sections de passage inférieures à 25 mm. La géométrie du filet et
la manière de réaliser l’étanchéité donnent les technologies
suivantes :
— filetage conique dans taraudage conique et étanchéité par
ruban en Téflon enroulé sur le filetage ;
— filetage conique dans taraudage cylindrique et étanchéité par
ruban en Téflon (filetage métrique) ;
— filetage cylindrique dans taraudage cylindrique et étanchéité
par un joint sur un cône ou un lamage (filetage métrique ou gaz
cylindrique).
Des exemples de ces technologies sont rassemblés sur la
figure 46 ; toutes n’ont pas la même fiabilité. Il faut noter que la
similitude géométrique n’est pas respectée dans ces séries de raccords, ce qui fait que chaque technologie devient de moins en
moins fiable quand sa dimension augmente.
Les étanchéités par ruban en Téflon demandent beaucoup de
soin au montage et au démontage car des morceaux de Téflon
dans le circuit sont des causes courantes d’obstruction de
diaphragme.
Pour des conditions de température élevée (supérieure à 120 oC),
il existe des joints d’étanchéité métalliques.
BM 6 050 − 26
Là encore, il existe plusieurs normes et plusieurs technologies
d’étanchéité. Les plus utilisées sont les brides rectangulaires SAE
à filetage métrique et étanchéité par joint torique sur un collet à
souder au tube ou sur l’embout du flexible.
Les références des normes sont résumées sur la figure 47 et le
tableau 4.
4.1.3.3 Liaisons par bague sertie
Les extrémités des tuyauteries sont accrochées sur les raccords
par des embouts soudés ou des bagues serties (figure 48).
Tableau 4 – Normalisation des brides
Type de brides
Brides rectangulaires
(monobloc ou
en deux parties)
Normes
AFNOR
NF E 48-055
ISO
6162
SAE
J 518 C
AFNOR
NF E 48-054
CETOP
RP 63 H
Collets à souder
SAE
J 518 C
Visserie
ISO
4762
ANSI
B 18-3
ISO
3601
SAE
J 518 C
Brides carrées
Joints toriques
,,
,,
,,,,
,,
,
,,,
,,
,
,, ,,
,, ,,
,,,,,
a joint élastique
b joint plat,
forme D
(DIN 3852)
c joint métallique,
forme B
(DIN 3852)
filetage cylindrique
taraudage cylindrique
90°
90°
d filetage conique
taraudage cylindrique :
étanchéité dans le filet
avec Téflon, etc.,
forme C (DIN 3852)
e filetage conique
taraudage conique :
étanchéité dans le filet
avec Téflon, etc.,
type N.P.T.
øA
mm
øB
mm
øC
mm
D
mm
E
mm
F
mm
G
mm
8x1
12
15
8
8
1
1,5
10 x 1
14
17
8
8
1
1,5
12 x 1,5
17
20
12
12
1,5
2
14 x 1,5
19
22
12
12
1,5
2
16 x 1,5
21
24
12
12
1,5
2
18 x 1,5
23
26
12
12
2
2,5
20 x 1,5
25
28
14
14
2
2,5
22 x 1,5
27
30
14
14
2,5
3
24 x 1,5
29
33
14
14
2,5
3
27 x 2
32
36
16
16
2,5
3
30 x 2
36
39
16
16
2,5
3
1/16"
12
13
7,4
7,4
1
1
1/8"
14
15
7,4
7,4
1
1
1/4"
18
19
11
11
1,5
1,5
3/8"
22
23
11,4
11,4
2
2
1/2"
26
27
15
15
2,5
2,5
3/4"
32
33
16,3
16,3
2,5
2,5
1"
39
40
19,1
19,1
2,5
2,5
1" 1/4
49
50
21,4
21,4
2,5
2,5
1" 1/2
55
56
21,4
21,4
2,5
2,5
2"
68
69
25,7
25,7
3
3
G
E
,,
,,
øA
øB
øC
øA
F
90°
D
f exemples de cotes pour
filetage et taraudage
cylindriques
Figure 46 – Implantation et étanchéité des raccords
Pour des fabrications de série et pour les grandes dimensions, il
est conseillé de sertir avec un vérin à effort contrôlé.
4.1.3.4 Raccords orientables, coudes, tés, réductions
Il y a une grande diversité de pièces de liaison résolvant des problèmes particuliers (figure 49).
On peut noter aussi des raccords rapides permettant de désaccoupler un circuit, sans perte de fluide. La figure 50 montre un tel
raccord en position désaccouplée, d’accostage et d’ouverture.
Figure 47 – Variantes de brides
Après sertissage (figure 48b ), la bague en acier fait étanchéité
sur un cône à faible pente (24o) dans lequel elle vient faire une
empreinte.
L’élasticité de la bague permet de maintenir l’ensemble en précontrainte, même après sollicitation mécanique et en pression.
L’ancrage de la bague, son arc-boutement et son glissement lors
du sertissage sont observables sur la figure 48b.
Les bagues serties s’emploient également avec des brides.
Pour les grandes dimensions tuyauteries (supérieures à 30 mm
de diamètre extérieur), il est utile de faire un prérainurage de
l’extrémité de la tuyauterie.
Pour que le sertissage soit possible, il faut absolument que la
limite élastique du tube soit inférieure à 400 N/mm2.
Plusieurs profils de bagues existent.
Quand ces raccords rapides sont montés en bout de tuyauteries
flexibles, ils sont munis d’un dispositif de verrouillage.
4.1.4 Joints tournants
Les joints tournants servent à faire passer des circuits hydrauliques d’une partie fixe à une partie tournante d’une machine. Par
exemple, sur une broche de machine-outil, ou sur une tourelle
d’engin de travaux publics.
Les passages de fluides (figure 51) se font dans des gorges
annulaires face à face sur pièces fixe et mobile. Les étanchéités de
ces gorges sont réalisées par des joints dynamiques dont la partie
frottante est une bague en plastique plaquée sur sa portée cylindrique par un anneau élastique (joint torique).
Pour des vitesses linéaires supérieures à 0,5 m/s, on utilise des
segments en fonte qui ne sont pas parfaitement étanches et
demandent des retours de fuites.
BM 6 050 − 27
___________________________________________________________________________________________
Implantation conique (24°)
Écrou de
serrage
Bague
d'étanchéité
Tube en
acier
a désaccouplé
a avant sertissage
0
10
18
c ouverture
b accostage
Les cotes sont en millimètres
Figure 50 – Raccord rapide
Arc-boutement
de la bague
Ancrage de
la bague
Glissement
de la bague
1
2
b après sertissage
3
4
5
Figure 48 – Étanchéité par bague sertie
6
7
8
a vue d'ensemble
b coupe
Figure 51 – Joint tournant à huit passages
(d’après document Poclain Hydraulics)
4.2.1 Réservoirs
a orientable
b en té
c en équerre
d coude
Le réservoir est une enceinte fermée contenant la majeure partie
du fluide du circuit et permettant :
— la décantation ;
— la désaération ;
— la dilatation ;
— éventuellement la pressurisation du fluide.
Sa capacité dépend à la fois du débit moyen des pompes aspirant le fluide et de la variation de volume du reste de circuit. En
effet, quand il y a des vérins à simple effet ou des accumulateurs,
le volume du circuit varie et le complément de fluide doit être
fourni ou stocké par le réservoir.
Figure 49 – Exemples de raccords spéciaux
Quelques valeurs habituelles
4.2 Composants passifs
Un circuit hydrostatique comporte des composants passifs dont
le rôle apparaît clairement dans l’article [BM 6 060] Assemblage et
conception des circuits dans ce traité. Ce sont essentiellement les
réservoirs, filtres et réfrigérants.
BM 6 050 − 28
Pour une installation mobile, la capacité utile du réservoir est
égale à la quantité de fluide aspirée par la pompe en 30 s à
1 min (pour un circuit fermé, il s’agit de la pompe de gavage).
Pour une installation fixe, la capacité est égale à la quantité
aspirée en 2 à 3 min.
La capacité utile du réservoir est dans tous les cas supérieure
à trois fois la variation possible de volume du circuit.
Bouchon de
remplissage
Reniflard
Retour
général
Retour
de fuite
Niveau
visible
Noyau magnétique
Crépine
d'aspiration
Cartouche
Bouchon
de vidange
Déflecteur
Ressort du by-pass
Aspiration
Figure 52 – Exemple de réservoir
Figure 53 – Filtre basse pression (d’après document Arlon)
La figure 52 montre quelques caractéristiques classiques d’un
réservoir :
— les compartiments de retour et d’aspiration sont séparés par
un déflecteur qui oblige le fluide à transiter dans tout le volume
disponible ;
— le bouchon de remplissage est combiné avec un filtre grossier
empêchant l’entrée d’objets lors du remplissage ; il est étanche en
position fermée ;
— le reniflard est sur une zone calme du réservoir et sa partie
basse le met à l’abri des projections d’eau lors de nettoyage ;
— le tuyau de retour plonge au-dessous du niveau minimal du
réservoir et la vitesse du fluide est ralentie par des chicanes.
4.2.2 Filtres
La nature et la position des filtres dépend du niveau de pollution
souhaité (cf. article [BM 6 060] Assemblage et conception des circuits dans ce traité).
Les filtres les plus courants sont des filtres à cartouches jetables,
montés dans des bols basse pression et munis de by-pass et
d’indicateurs de colmatage.
On rencontre couramment trois gammes d’efficacité :
— 20 à 30 µm avec des papiers de qualité courante ;
— 10 µm avec des cartouches de papier spécial imprégné de
résines ;
— 3 µm avec des cartouches épaisses de fibres minces compactées et imprégnées.
Cette dernière gamme n’est nécessaire que lors de l’utilisation
de certains composants sensibles comme les servovalves.
La norme AFNOR NF E 48-676 détaille les spécifications de
conditions d’emploi d’un filtre pour transmissions hydrauliques.
Elle constitue un document pratique pour dialoguer avec un fournisseur de filtres.
Le filtre peut aussi se présenter :
— dans un bol haute pression qui peut être placé en sortie de
pompe ;
— dans un compartiment intégré au réservoir ;
— sur un circuit annexe ou un retour de fuites ;
— sur un groupe mobile de dépollution ou de remplissage.
Le filtre représenté sur la figure 53 se monte normalement à la
partie supérieure d’un réservoir. Le fluide arrive dans la tête de filtre et passe le long du noyau magnétique avant de traverser la cartouche. Si la perte de charge est trop grande (par exemple, quand
Figure 54 – Réfrigérant ventilé
le fluide est froid), la cartouche comprime le ressort et descend en
restant guidée par des doigts ; le fluide passe à côté de la cartouche et n’est pas filtré. On dit qu’il y a by-pass.
Le reniflard (figure 52), qui est un filtre à air placé sur le réservoir pour dépolluer l’air transitant de l’atmosphère au sommet du
réservoir, a généralement un rôle très important dans le niveau
final de pollution du fluide. Ses caractéristiques sont définies par
la norme AFNOR NF E 48-678.
Dans ce circuit, il faut aussi prévoir des points de prélèvement de
fluide pour contrôle de contamination. Le matériel et les méthodes
de prélèvement sont décrits dans les normes AFNOR NF E 48-650
et NF E 48-654.
4.2.3 Réfrigérants
Le réfrigérant est un échangeur de chaleur entre le fluide du circuit et une source froide qui est selon le cas l’air ambiant ou un circuit d’eau, lui-même maintenu à température faible (inférieure à
30 oC).
4.2.3.1 Réfrigérant à air
Un réfrigérant à air (figure 54) se compose d’une batterie et d’un
ventilateur.
BM 6 050 − 29
___________________________________________________________________________________________
Entrée d'huile
Sortie d'huile
Embout du
flexible relié
au manomètre
Sortie
d'eau
Entrée
d'eau
Figure 55 – Réfrigérant à eau
Prise de
pression
Bouchon
La batterie est un serpentin en acier muni d’ailettes ou un
assemblage de tuyaux aplatis en aluminium brasé sur des collecteurs (semblables à des radiateurs de moteurs à explosion).
Le ventilateur est entraîné par un moteur électrique ou hydraulique.
L’efficacité d’un réfrigérant se mesure en débit thermique pour
une différence de température entre le fluide et l’air. Cette efficacité
dépend aussi du débit de fluide, du débit d’air et de la viscosité du
fluide.
Les valeurs courantes de ∆θ, différence entre la température du
fluide et la température de l’air à l’entrée du réfrigérant sont 40 oC
et 30 oC.
La puissance à fournir en ventilation est 5 à 10 % de la puissance
d’échange.
Exemple : un réfrigérant de 23 kW (20 000 kcal/h) pour 40 oC de ∆θ
fonctionne, en nominal, avec 120 L/min de fluide et 1 m3/s d’air.
Son ventilateur de 350 mm de diamètre tourne à 2 800 tr/min et
consomme 1 kW.
Si le débit de fluide passe à 60 L/min, l’efficacité chute de 15 %. Si
le débit d’air passe à 0,5 m3/s l’efficacité chute de 40 %, un réfrigérant
de ce type a une masse de 35 kg.
4.2.3.2 Réfrigérant à eau
Un réfrigérant à eau (figure 55) se compose d’un faisceau de
tubes en cuivre baignant dans un cylindre rempli d’eau en circulation forcée. Les tubes en cuivre sont brasés sur des collecteurs.
L’efficacité d’un tel réfrigérant se mesure en puissance thermique pour une différence de température entre le fluide et l’eau à
l’entrée du réfrigérant.
Ils sont employés dans les installations industrielles où un
réseau d’eau réfrigérée existe pour d’autres raisons.
De même que pour les réfrigérants ventilés (§ 4.2.3.1), il faut
prendre garde aux pertes de charge, aux coups de bélier et aux
vibrations mécaniques. En plus, les réfrigérants à eau présentent le
risque de fuite de l’eau dans l’huile en cas de détérioration des brasures par dilatations différentielles. Par ailleurs, les dépôts minéraux dans les circuits d’eau réfrigérée peuvent obstruer les
passages et en diminuer l’efficacité. Il y a donc lieu de vérifier
périodiquement ce type de montage.
a système de mesure
de pression
b détail de la prise
Figure 56 – Prise de pression pour manomètre
(d’après document Téméquip)
de lecture, soit à des témoins de défauts, soit à des relais d’arrêt
d’urgence.
Nous ne donnons ici que quelques indications sur ce type de
matériel dont la variété est très grande et l’emploi très spécifique.
Le lecteur pourra consulter également les articles spécialisés du
traité Mesures et Contrôle.
4.3.1 Manomètres
Le capteur de pression le plus simple est le manomètre. Les
manomètres à tube de Bourdon et lecture directe sur cadran et
aiguille existent pour toutes les gammes de pression. Généralement amortis par bain de glycérine, ils sont reliés aux points du circuit dont on veut connaître la pression par des flexibles haute
pression de 1,8 mm de passage intérieur. Des prises rapides permettent de connecter ou déconnecter facilement le manomètre au
circuit (figure 56).
L’utilisation du manomètre est conseillée pour le contrôle et le
réglage d’une transmission. Par contre, il est risqué de le laisser
branché en permanence car les variations de pression le fatiguent.
Lorsque l’on veut détecter une pointe de pression ou le dépassement d’une valeur préréglée, on utilise un manocontact dont le
niveau de déclenchement est réglable.
4.3.2 Capteurs électriques de pression
Pour enregistrer une pression ou pour fournir un signal exploitable par des circuits électroniques, on utilise des capteurs à jauges couramment appelés capteurs de pression.
4.3 Capteurs de pression, débit, vitesse,
température
Naguère réservés, à cause de leur coût élevé, à des fonctions de
mesure ou de régulation sophistiquées, les capteurs se banalisent
avec des technologies de fabrication issues de celles des composants électroniques : jauges diffusées ou alimentation intégrée.
Pour le contrôle et la sécurité de marche d’une transmission, il
est utile d’installer les capteurs et de les relier soit à des appareils
Certains types particulièrement robustes permettent de les installer à demeure sur le circuit.
BM 6 050 − 30
,,, ,,
,,
Les fonctions remplies peuvent alors être :
— lecture à distance ;
— mémorisation de pointe de pression ;
— alarme à seuil réglable ;
— comptage de cycles ;
— mesure de temps de cycle ;
— régulation de débit ou de puissance.
4.3.3 Débitmètres
Les débitmètres pouvant fonctionner sur un circuit haute pression sont généralement des petites hélices dont on compte le nombre de tours avec un capteur électromagnétique de proximité. Cher
et fragile, ce type de débitmètre est réservé aux mesures de précision et aux enregistrements.
Si on veut seulement une indication visuelle de débit sur un
retour basse pression (par exemple sur un retour de fuite), le plus
simple est un débitmètre à flotteur dans un tube conique transparent.
Si on veut totaliser le volume de fluide écoulé pendant un temps
long, le plus simple est un volucompteur.
D’une manière générale, la mesure de la vitesse d’une pompe ou
d’un moteur hydraulique est plus simple que la mesure du débit
qui les traverse.
4.3.4 Capteurs de température
L’indication de température de l’huile d’un circuit est toujours
utile et souvent indispensable.
Un niveau anormal de température indique un défaut de fonctionnement ou d’utilisation des circuits (par exemple, fuite importante due à une usure, ou déréglage d’un asservissement).
La température peut être visualisée sur un thermomètre à cadran
ou convertie en grandeur électrique pour être enregistrée, ou alimenter un dispositif de surveillance.
Les prises de température les plus courantes sont des thermistances.
4.3.5 Capteurs électroniques
L’utilisation de plus en plus fréquente de composants électroniques comme organes de contrôle ou de commande, entraîne
l’emploi de capteurs divers servant de feed-back de position ou de
vitesse. Les plus courants sont les potentiomètres et les capteurs
de proximité. Ceux-ci, positionnés en face d’un disque échancré
servent couramment de tachymètre.
La figure 57 représente une application de capteur de proximité
comme tachymètre sur un moteur hydraulique à pistons radiaux
conforme à celui décrit dans l’article [BM 6 031] Pompes et
moteurs (§ 3.7).
Le capteur se présente sous la forme d’un cylindre fermé, dont
une extrémité vient en vis-à-vis du bloc cylindres du moteur
hydraulique (pièce tournante). Ce capteur est fixé de façon étanche
sur le couvercle du moteur (pièce fixe).
Sur le bloc cylindres, des cavités sont percées régulièrement
(trous de 2 à 3 mm de profondeur). Il y en a généralement 60, ce
qui fait que le nombre de trous défilant devant le capteur pendant
une seconde donne la vitesse de rotation du moteur en tours par
minute.
Le composant principal du capteur est un élément magnétorésistant, situé entre un aimant permanent et le fond du capteur. Quand
les trous défilent devant le capteur, le champ magnétique bascule
pour passer du côté où il y a le plus de métal. L’élément magnétorésistant active ou désactive un transistor qui alimente le circuit de
mesure.
,,,
,,
,,
,
,,
Encoche
Couvercle
Aimant
Élément
magnétorésistant
Bloc
cylindre
Figure 57 – Capteur tachymétrique sur moteur à pistons radiaux
La distance entre le capteur et le bloc cylindres doit être réglée
entre 0,5 et 1 mm. La position angulaire du capteur par rapport à
la ligne des trous doit être fixée à 10o près, car l’aimant et l’élément magnétorésistant sont orientés suivant un plan perpendiculaire à la face du bloc cylindres.
Ce type de capteur sert notamment, en conjugaison avec le limiteur de débit décrit au paragraphe 3.7.1, à la régulation de vitesse
des moteurs hydrauliques.
4.3.6 Autres capteurs
D’autres capteurs sont souvent intégrés dans des composants
comme organes de sécurité.
Exemple : indicateur de colmatage de filtre, sécurité de niveau
d’huile dans le réservoir, témoin de pression dans un circuit de pilotage, détecteur de limaille dans le circuit de retour de fuites.
5. Applications classiques
de transmissions
hydrostatiques
Compte tenu de la diversité des applications, nous ne présentons que quelques schémas à titre d’exemple.
5.1 Applications fixes :
machines-outils et robots
Dans ces applications on distingue la partie génératrice ou centrale (groupe motopompe, réservoir, filtres, distributeur et valves)
de la partie outils (vérin ou moteur hydraulique).
La figure 58 représente le schéma de la centrale d’une presse
ayant un chariot de dégagement des pièces.
Sur cette application, la synchronisation des mouvements à vide
des vérins est obtenue par deux pompes indépendantes. Une
pompe de faible cylindrée assure l’avance à plein effort.
La figure 59 représente une centrale équipée de son moteur
électrique, sa pompe et ses distributeurs.
La figure 60 représente un télémanipulateur Andromat de CSEE.
BM 6 050 − 31
___________________________________________________________________________________________
Moteur
d'avance
du chariot
Figure 60 – Manipulation de pièce forgée avec télémanipulateur
Andromat AM 200 (d’après document CSEE)
150 bar
1 500 tr/min
24 cm3/tr
150 bar
24 cm3/tr
350 bar
6 cm3/tr
Figure 58 – Centrale pour presse avec chariot
Figure 61 – Assistance sur semi-remorque
d’installer sur les autres roues des moteurs hydrauliques qui ne
sont alimentés que pour les déplacements en mauvais terrain, à
faible vitesse (par exemple entre 0 et 20 km/h).
Le circuit correspondant est un circuit d’assistance. La figure 61
représente un camion semi-remorque dont chaque roue de la
remorque est entraînée par un moteur hydraulique capable d’un
couple de 5 000 N · m. L’effort de traction total de l’engin lui permet
de gravir, en charge, des pentes de l’ordre de 40 %, inenvisageable
sans cette motorisation.
Les assistances hydrauliques sont également utilisées sur les
engins de voirie, sur les roues directrices de camions, sur les roues
avant de niveleuses ou sur les roues arrières de moissonneusesbatteuses.
5.2.2 Entraînement de billes de compacteurs
Figure 59 – Centrale à pompe immergée
Pour le travail d’un rouleau compacteur, il est important d’assurer une vitesse très régulière, malgré la vibration générée dans la
bille. Il existe de nombreux types de rouleaux, à une, deux ou quatre billes. Leur masse est entre 2 et 20 t.
5.2 Matériel mobile. Translation
La figure 62 représente un compacteur tandem dont les deux
billes sont entraînées chacune par un moteur hydraulique monté
sur plots élastiques.
Les vitesses maximales de ces engins sont 10 à 15 km/h.
5.2.1 Fonction d’assistance
Sur de nombreux engins agricoles ou de travaux publics, il
existe deux types de déplacement soit pour le travail à faible
vitesse, mais dans des conditions de motricité difficiles, soit à
grande vitesse sur terrain aisé.
Une solution avantageuse consiste à motoriser une partie des
roues pour le déplacement rapide avec peu d’effort de traction, et
BM 6 050 − 32
5.2.3 Entraînement de chenilles
Les engins chenillés sont utilisés sur terrains mous et irréguliers.
Les chenilles sont des chaînes sur lesquelles sont fixées des tuiles.
La roue dentée qui entraîne la chaîne s’appelle un barbotin. La
motorisation de chaque barbotin par un moteur hydraulique permet des manœuvres précises et rapides des engins à chenilles.
Figure 63 – Pelle hydraulique avec équipement rétro,
(d’après document Poclain)
Figure 62 – Compacteur tandem (d’après document Dynapac)
Les exemples les plus courants d’engins chenillés sont les pelles
hydrauliques (voir figure 63), les bouteurs, les chargeurs, les
dameuses de pistes.
Cylindre de frein
Cylindre de frein
Roue
Roue
Pédale de frein
Marche avant
Pilotage de cylindrée (changement de vitesse)
Témoin de freinage ou manocontact
de sécurité (à régler à 120 bar)
Conjoncteur disjoncteur de freinage
Pompe à circuit fermé
Réfrigérant ventilé
Filtre de retour (10 mm)
Filtre d'aspiration (10 mm)
Réservoir
Figure 64 – Circuit fermé de translation d’une machine à deux roues motrices
BM 6 050 − 33
a pulvérisateur
___________________________________________________________________________________________
b moissonneuse batteuse
R
A
B
Figure 67 – Moteur à trois orifices pour circuit twin lock
c chariot élévateur
d nacelle automotrice
Figure 65 – Engins à transmission hydraulique à circuit fermé
Le circuit de base d’un engin à deux roues motrices est donné
en détail sur la figure 64. On voit en particulier la pompe circuit
fermé (conforme à celle décrite au § 2.1), les moteurs roues à deux
cylindrées et les circuits annexes de freinage, de pilotage et de
réfrigération.
Ce circuit de base peut être généralisé à plus de deux roues
motrices. La figure 65 représente des engins agricoles et de manutention utilisant un circuit de translation en circuit fermé.
5.2.5 Circuit avec blocage de différentiel
Roue
directrice
Deux autres schémas représentent sur la figure 66 l’alimentation
de trois et quatre roues avec des circuits appelés « Twin Lock » qui
permettent la synchronisation de toutes les roues, même en cas de
perte d’adhérence (équivalence du blocage de différentiel sur une
transmission mécanique). Ces schémas sont simplifiés et ne représentent pas toutes les fonctions détaillées sur la figure 64. On voit
cependant deux types de valves particulières : la valve V1 sur le circuit à trois roues sert, en virage, à modifier légèrement le débit de
la roue directrice par rapport à celui de deux autres ; la valve V2
sert à donner à l’engin une deuxième gamme de vitesse, deux fois
plus rapide.
V1
V2
Figure 66 – Circuits à trois et quatre roues motrices avec fonction
twin lock
5.2.4 Entraînement de roues hydrauliques
Le montage directe d’une jante sur l’arbre d’un moteur hydraulique permet de motoriser aisément des engins à deux, trois, quatre ou même plus de roues motrices.
BM 6 050 − 34
Les moteurs roues utilisés sur ces schémas sont des moteurs à
trois orifices, représentés sur la figure 67, et dont le fonctionnement est le suivant.
Dans un moteur hydraulique, à came et à pistons radiaux, les alimentations des pistons défilant en face des cames sur lesquelles
ils travaillent, se font par l’intermédiaire de lumières situées sur un
distributeur. On peut séparer ces lumières en deux groupes, dont
chacun correspond à une moitié seulement des cames. On obtient
ainsi deux moteurs constitués des mêmes pièces (bloc cylindres,
pistons, carter, palier, etc.), mais fournissant des couples indépendants. Les lumières de chaque moteur partiel sont reliées à des orifices distincts, qui permettent l’alimentation de chaque moteur
partiel par un circuit particulier. En pratique, au lieu d’avoir quatre
orifices (pour deux moteurs partiels), on réunit deux de ces orifices
pour en avoir trois distincts. Les pressions entre les différentes
entrées et sorties (par exemple entre A et R, et entre B et R, sur la
figure 67 sont indépendantes. Par contre, les débits circulant dans
chacun des moteurs partiels sont proportionnels aux cylindrées de
ces moteurs partiels.
Des moteurs à trois orifices peuvent également être obtenus
dans d’autres technologies, par exemple avec des moteurs à palettes (voir § 3.5 du [BM 6 031])
Direction
Circuit translation
Joint tournant
Circuit équipements
Figure 68 – Circuit hydraulique de pelle sur pneus
BM 6 050 − 35
___________________________________________________________________________________________
Figure 71 – Trancheuse (d’après document Vermeer)
5.3 Matériel mobile. Équipements
5.3.1 Équipements à base de vérins
Figure 69 – Grue hydraulique
Ces équipements sont généralement alimentés par un circuit
ouvert. La figure 68 donne le détail d’un circuit de pelle hydraulique sur pneus dont les quatre mouvements principaux (flèche,
balancier, godet et rotation) sont alimentés par deux pompes à
cylindrée fixe.
L’évolution de ce type de circuit se fait en remplaçant les pompes
à cylindrée fixe par des pompes à cylindrée variable avec des distributeurs load sensing ou pesée de charge (§ 2.7 et § 3.5.5).
5.3.2 Équipements à base de moteurs hydrauliques
Les moteurs hydrauliques peuvent servir à entraîner des treuils
(voir grue figure 69) ou des outils, comme une tarière (voir
figure 70) ou une trancheuse (voir figure 71).
Figure 70 – Tarière montée sur une minipelle
BM 6 050 − 36
La plupart des alimentations de ces outils se font en circuit
fermé, spécifique au moteur de l’outil, sauf sur les engins où les
fonctions principales sont assurées par des vérins (cas de la minipelle de la figure 70).

Circuits de transmissions hydrostatiques

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