Actionneurs Hydrauliques Et Pneumatiques

10 - Actionneurs hydrauliques et pneumatiquesMEC-743 Instrumentation et contrôle de procédés industriels

MEC-743, cours n°10Actionneurs hydrauliques etActionneurs hydrauliques et pneumatiques

Bsata, Instrumentation et automation, chap. 10

MEC743 - Martin Viens, prof.Département de génie mécaniqueProgramme de baccalauréat

Le génie pour l'industrie

Objectifs de la séance• Systèmes d’actuation hydrauliques:

Pompes (à engrenages, à palettes et à piston) Valves de distribution et de régulation Vérins (simple et double action) Moteurs hydrauliques

• Systèmes d’actuation pneumatiques: Compresseurs Similarités et différences avec les systèmes hydrauliques



• Exemples d'applications

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Système hydrauliqueValve de

distribution

Pompe Filtre

Vérin hydraulique

Soupape de décharge



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Système hydraulique

• Pression de fonctionnement pouvant atteindre quelques dizaines deMPa. En raison de cette grande pression, les systèmes hydrauliquessont utilisés dans les applications demandant une grande force ou unesont utilisés dans les applications demandant une grande force ou unegrande puissance mécanique.

• Puisque l'huile est essentiellement incompressible, il n'est pas possiblede stocker une grande quantité d'énergie dans un réservoir pressurisé.La pompe doit donc être continuellement en opération pour que lesystème soit fonctionnel.

• Les systèmes hydrauliques fonctionnent en boucles fermés: aprèsfiltration, l'huile basse pression doit retourner au réservoir. L'utilisation



, pde systèmes hydrauliques dans des applications où l'hygiène ou lasécurité pourrait être menacée par d'éventuelles fuites est donc limitée(industrie alimentaire, environnement comportant des étincelles ou dessurfaces très chaudes, …).

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Système pneumatiqueFiltre et

déshumidificateur

Compresseur

Régulateur



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RéservoirVers les valves

et les vérins

Système pneumatique

Moteur

CourroiePompe

Jauge de pression

Moteur

Poulie



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Réservoir

Système pneumatique

• Pression de fonctionnement beaucoup plus faible que dans lessystèmes hydrauliques: 70 à 150 psi (480 kPa à 1.03 MPa). La forcegénérée par les systèmes pneumatiques est donc beaucoup plus faiblegénérée par les systèmes pneumatiques est donc beaucoup plus faibleque celle générée par les systèmes hydrauliques.

• Les compresseurs ne peuvent pas fournir de grands volumes d’airpressurisé sur demande. C’est pourquoi l’air est comprimé dans desréservoirs au-delà de la pression de fonctionnement. Ces réservoirsagissent à titre d’accumulateur d’énergie potentielle ce qui permet leurutilisation dans applications mobiles autonomes.

• Les systèmes pneumatiques sont ouverts: le compresseur aspire et



y p q p pcomprime l’air ambiant alors que les retours d’air usé sont rejetés dansl’atmosphère. Il est donc inutile de prévoir des lignes de retour.

• En raison de la compressibilité de l’air, les systèmes pneumatiques nesont généralement pas utilisés dans des applications exigeant unpositionnement précis.

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Hydraulique vs électriqueRéservoir Pompe Manomètre Débitmètre Limiteur de pression Distributeur Restriction Clapet anti-

retour Moteur Réservoir

Accumulateur

MA Régulateur



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MA

V

Régulateur

Masse Source Voltmêtre Ampèremètre Régulateur de tension Interrupteur Résistance Diode Moteur Masse

Condensateur


Pompes et compresseurs



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Définitions

Pompe hydraulique: appareils qui convertit l’énergie mécanique enénergie hydraulique en aspirant avec une très faible dépressionl’huile contenue dans un réservoirl huile contenue dans un réservoir.

Pompe non volumétrique: pompe qui entraîne les fluides à grandsdébits et faibles pressions (absence d’étanchéité entre l’entrée et lasortie de la pompe). Ex.: compresseur centrifuge ou à hélice. N'estpas utilisée dans les systèmes d'actuation hydrauliques oupneumatiques.

Pompe volumétrique (positive displacement pump): pompe danslaquelle l’écoulement est réalisé grâce à l’augmentation (aspiration)



laquelle l écoulement est réalisé grâce à l augmentation (aspiration)et la diminution (refoulement) successives du volume d’une cellule(similaire à l’action d’une seringue). Permet la mise en œuvre degrandes pressions à de faibles débits.

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Pompe à engrenages

Pompes à denture externe



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Pompes à denture interne

Pompe à engrenages



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Pompe à engrenages

Pompes de type gérotor



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Pompe à engrenages



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Pompe à palettes

• Basée sur l’utilisation de palettes (aubes) qui, sous l’actiondes forces centrifuges, coulissent radialement dans desrainures portées par le rotor.

• Le fluide est entraîné dans les cellules formées parl’excentricité entre le rotor et la couronne



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Pompe à pistons axiaux

• Pompe basée sur des pistons dont la course est parallèleà l’axe de rotation.

• Le sens du débit est maintenu par des clapets anti-retour



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Pompe à pistons radiaux

• Pompe basée sur des pistons dont la course estperpendiculaire à l’axe de rotation.

• La course des pistons est provoquée par une cameexcentrique ou un vilebrequin.



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Performances

Cylindrée (Dp): volume d’huile engendré (aspiré ou refoulé) pendantun cycle (un tour). Exprimée en m3/rad.

Vitesse de rotation (): vitesse de rotation de l'arbre d'entraînementde la pompe. Exprimée en rad/s.

Débit volumique (QV): volume d’huile débité par unité de temps.Exprimé en m3/s.

Différence de pression (Δp): capacité de la pompe à augmenter lapression du fluide qui la traverse. Exprimée en Pa.

pV DQ



Puissance hydraulique (PH): puissance utile transférée de la pompeau fluide qui la traverse. Exprimée en W.

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pQP VH

Performances

Niveau de bruit: une des sources importantes de bruit dans unepompe hydraulique provient de la cavitation du fluide. Des bullesd'air peuvent entrer dans le port basse pression de la pompe Àd air peuvent entrer dans le port basse pression de la pompe. Àhaute pression, ces bulles implosent produisant ainsi un bruitimportant.

• Augmentation de la pression d'entrée grâce à un pompe decharge

• Réduction de la viscosité de l'huile grâce au préchauffage lorsd'un démarrage à froid

Échauffement du fluide: le rendement des systèmes à air comprimé



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Échauffement du fluide: le rendement des systèmes à air compriméest souvent très faible (20%) parce que la compression du fluides'accompagne de son échauffement. La température de l'aircomprimé peut varier entre 70 et 160°C.

Rendement

Rendement volumétrique (ηV): rapport entre ledébit effectivement obtenu et le débitthéorique (calculé avec la cylindrée) Lesthéorique (calculé avec la cylindrée). Lesfuites sont responsables d'une diminution dece rendement.

Rendement mécanique (ηm): rapport entre lecouple

p

VV D

Q

couple théoriquement nécessaire pour produire la différence depression et le couple effectivement nécessaire. Les pertes de chargehydraulique internes et le frottement des composantes mécaniques



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TpDp

m

T

pQVmVgRendement global (ηg):

hydraulique internes et le frottement des composantes mécaniquessont responsables d'une diminution de ce rendement.


Rendement



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Référence: Cetinkunt, fig. 7.30, p.309

PerformancesType Pression

maximale (MPa)Vitesse de

rotation (rpm)Cylindrée (cm3)

À denture externe 30 500 à 6000 0 2 à 200À denture externe 30 500 à 6000 0.2 à 200

À denture interne 30 500 à 3000 3 à 250

À palettes 10 1000 à 2000 5 à 100

À pistons 70 1000 à 3000 0.5 à 100



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Denture externe Denture interne Gérotor Palettes Pistons

CaractéristiquesType Caractéristiques Applications

À denture externe • Incompatible avec lesfluides abrasifs

• Pompe de lubrification• Élévateur hydraulique mobile

• Faible prix de revient• Fonctionnement silencieux

• Doseur

À denture interne • Compatible avec des fluides caractérisés par une grande variation de viscosité

• Fonctionnement silencieux

• Presse hydraulique• Machine outil• Élévateur (installation fixe)• Industrie alimentaire

À palettes • Compatible avec des fluides peu visqueux

• Auto-compensée pour

• Fluide réfrigérant• Vide partiel



Auto compensée pour l’usure des aubes (rendement constant)

À pistons • Robuste• Plus chère

• Presse hydraulique• Machine outil• Machines de mise en forme

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Valves



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Clapet anti-retour

Dispositif destiné à empêcher le passage d’un fluide en sensinverse du sens normal de fonctionnement

Débit d’huile



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Valve de distribution

Dispositif permettant d’aiguiller un fluide vers une ouplusieurs voies de passage. On distingue trois sortes dedistributeurs: les distributeurs à tiroir, les distributeurs àclapets et les distributeurs rotatifs



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Distributeur à tiroir

T A P B T A P B

tiroir



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Fluide sous pressionRetour

P: Entrée du fluide sous pressionT: Retour vers le réservoirA: Ligne AB: Ligne B

Désignation des distributeurs

2 voies

2 positions 3 positions

Le schéma à l’intérieur du tiroir3 voies

4 voies

centre fermé centre ouvert

Le schéma à l intérieur du tiroir représente le branchement entre les voies

Commande par solénoïde et t t

Principe de commande



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retour par ressort

Commande par pression pilote(hydraulique ou pneumatique)

commande


Commandes mécaniques

Galet

Pédale

Bouton-poussoir

Mécanique générale

Levier

Manuel général



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M Avec accrochageMoteur

Exemple de distributeur



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Distributeur pilote

• Lorsque de grandes forces sont nécessaires, ledistributeur est commandé par un autre distributeur, plus

fpetit, qui fonctionne à plus basses pressions.

• Ce petit distributeur est appelé pilote.



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Principes de commandeDistributeur pilote

commandé mécaniquement

Commande mécanique directe

Distributeur pilote commandé

électriquement



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Commande électrique directe

Référence: Cetinkunt, fig. 7.14, p.293


Action pilotée

Valve pilote

Valve principale

Fluide sous pression



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T P BA

Pression au piloteRetour

Distributeur pilote



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Vanne de réglage (servo valve)

Dispositif permettant le contrôle du débit d’un fluide envariant la section allouée à son passage (contrôle de la

f )restriction au passage du fluide).

2VQ A P

où : coefficient de débit d’écoulementA: section du passageP: perte de charge non récupérable

l i d fl id



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: masse volumique du fluide

M

Types de vanneÀ soupape À pointeau

corps

obturateur

siège

bobine

ressort

pointeauÀ tiroir

À membraneÀ papillon



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À bille

À membrane


Vérins



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Actionneur mécaniqueLes vérins hydrauliques / pneumatiques



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Animation



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Vérin pneumatique



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Symbolisation

Simple effet Double effet(tige rentrée au repos)

Simple effet(tige sortie au repos)

Double effetNon amorti

Amortissement variable

Double effet(double tige)

Double effet(tige télescopique)



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Double effetAmortissement avant et arrière

Moteurs hydrauliques



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Moteur hydraulique

1. Arbre d'entraînement2 Roulements à rouleaux



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2. Roulements à rouleaux3. Came à angle fixe 4. Cellules hydraulique - déplace le diaphragme grâce à l'huile pressurisée 5. Diaphragme6. Valve d'entrée 7. Valve de sortie 8. Valve de régulation de pression

Actuateur rotatif à ailette



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Introduction to Mechatronic Design, fig. 27.13


Actuateur rotatif à crémaillère



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Introduction to Mechatronic Design, fig. 27.15

Organe de préhension



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Autres composantesAutres composantes



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Accumulateur hydraulique

Réserve de fluide sous pression destinée à emmagasiner età restituer de l'énergie hydrostatique. Permet d'adoucir lesvariations de pression provoquées par de brusquesvariations de débit ou de puissance hydraulique.



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