ARTheque - STEF - ENS Cachan | Transmission hydraulique appliquée à un engin amphibie

TRANSMISSION HYDROllQUE

appliquée

â

un engin amphibie

Messieurs BASSET - BOISSEL - SAULNIER INSA - LYON

Le sujet qui suit a été proposé comme test (durée 4 heures, tous documents autorisés) à des étudiants de 5ème et 4ème année de l'INSA - LYON.

1·PRESENTATION DU VEHICULE:

Il doit être capable de se mouvoir de façon autonome d'un point d'intervention à un au-tre. A ce titre il possède les caractéristiques générales propres aux véhicules automobiles. Sa mobilité sur route et en terrain doit être bonne.

Principales performances visées sont: - vitesse de pointe 60km/h

- gravissement de rampe 50%

- freinage respectant le code de la route, mais permettant de maintenir l'engin en parc sur une pente de 50%

- roulage sur devers de 35%

- diamètre de braquage réduit: essentiel 36 m - faible poinçonnement du train de roulement

en terrain peu porteur et grands débattements de la suspension.

Dans l'eau le véhicule doit constituer un bac performant capable de porter une charge de 45 tonnes dans un courant de 2,5 misavec de bon-nes conditions de sécurité. Il est ambidrome, c'est à dire que les véhicules transportés embar-quent et débarembar-quent en marche avant. " n'a pas de sens préférentiel de navigation ni d'embar-quement.

Sa mobilité aquatique doit être bonne. Principales performances visées sont : - vitesse maximale lège: 3,3mis

- tirant d'eau inférieur à 80 cm lège et 1,20 m avec une charge de 36 tonnes.

" doit être capable de se mettre à l'eau par ses propres moyens sur une pente de 100% et de sortir sur une pente de 50%. Pour sortir, le train de roues opposé à l'hélice sera en mouvement. Le moteur d'hélice accepte un débit maximum de 225 1/mn.

Le temps de passage de la configuration ter-restre à la configuration aquatique doit être de l'ordre de quelques minutes. L'équipage est de 4 hommes.

Il - CARACTERISTIQUES TECHNIQUES DE LA TRANSMISSION HYDROSTATIQUE: La puissance disponible pour la transmission . est de 500 cv à 2500tr/mn ;la courbe de couple

est en page annexe.

Le reliquat de puissance est consommée par les servitudes. La génération de débit est à cylin-drée variable à inversion de flux.

En configuration terrestre

1) les moteurs de roues sont àcylindrée variable pour minimiser les débits circulants dans les boucles (débit maxi par moteur 225 1/mn à 2500 tr/mn du Diesel).

2) le moteur thermique fonctionne à régime va-riable commandé par la pédale d'accélérateur. La cylindrée du générateur de débit et des récepteurs hydrauliques varient en fonction du régime du moteur thermique par l'intermé-diaire d'une commande hydraulique tackymé-trique. Cette solution a été retenue pour des raisons ergonomiques:

- bruit du moteur atténué, engin à l'arrêt ou au ralenti

- plus grande souplesse de conduite.

Chaque moteur hydraulique attaque un réduc-teur de roue possédant un rapport route de

1/15é et un rapport terrain 1/60é. Le véhicule

en ordre de marche a une masse de 48000 kg. Le couple maxi aux roues est de 62 000 mN. Le couple aux roues sur route plate à 60 km/h est de 2150 mN. La pression dans le circuit ne dé-passera pas 420 bars. Pour que le véhicule ait une accélération maximale on maintient la pression maxi le plus longtemps possible (li-mite d'adhérence). Pour 1 tour de roue je véhicule se déplace de 5,505 m.

En configuration aquatique

Le moteur thermique reste utilisé à régime

nominal. Les moteu rs d'hél ices avant et arrière

sont à cylindrée fixe (150 cm3). Chaque hélice absorbe une puissance maxi de 160 cv.

30 ) Tracer le graphe (avec 4 points) décrivant l'évolution du rapport de la transmission. (rap-port entre la vitesse de sortie et la vitesse d'en-trée) en fonction de la vitesse de rotation du diesel.

40 ) Tracer le graphe donnant la variation du

couple maxi de sortie au moteur hydraulique de roue en fonction de la vitesse de rotation du diesel.

TRAVAIL DEMANDÉ ÉTABLIR,

, - Le tableau de marche des récepteurs et en déduire le type de transmission,

11-Le schéma de l'installation.

III - Les caractéristiques de "installation.

10)Déterminer. la cylindrée maxi des pompes

la cylindrée mini et maxi du mo-teur de roue.

20 )Tracer les courbes de variation de cylindrée

en fonction du régime du diesel sur un même graphe,

sachant que les variations sont linéaires. La cylindrée maxi de la pompe est atteinte pour 1700 tr/mn du diesel. A cette vitesse commence la diminution de la cylindrée du moteur de roue.

Rappel de relation: C . p C= Y

21T

couple cylindrée pression

Corrigé du test du 1er semestre 1980-1981 proposée par Mr R. SAULNIER TRANSMISSION FUIDE DE PUISSANCE

Mrs BASSET, BOISSEL, SAULNIER

ENGIN AMPHIBIE

1 -Tableau de marche des récepteurs et en

dé-duire le type de transmission

1) Principe de transmission et conditions

aux limites du flux:

(AI) et un arrière(J9.) au véhicule malgré son caractère ambidrome.

Transmission hyd r ostati.que

hélice 1 TV hélice 2

la

* Les récepteurs sont mécaniques 4 roues et

2 hélices. La condition limite de flux pour

chaque roue est (pour 60 km/h véhicule avec

rapport 1/15): wsi

=

181,65 Rpm ou 19,02

rd/s. Je remarque qu'il est plus simple de

con-sidérer J'ensemble réducteur-roue - p . .2724,8

Rpm ou w Ri 285,34 rd/s à l'entrée

réduc-teur.

La condition limite de flux pour chaque

hélice est donnée par le débit de 225 1/mn,

(à titre indicatif, l'hélice tourne à w R5 6_,

1500 Rpm rnaxl) (1)

(1) débit

=

cylindrée X vitesse rotation

*

Le moteur thermique est un générateur de

flux mécanique (vitesse de rotation) capable

d'un couple maxi lié au flux, voir courbe carac-téristique page 4 du sujet.

Ralenti 600 Rpm

!

Seuil de couplage: 1200 Rpm w générateur

Il n'est pas utile maintenant de fixer les limites d'effort sur les récepteurs.

La transmission de flux entre générateur et récepteurs doit être hydrostatique. La carac-téristique essentielle de celle-ci est l'ouvertu re donnée par l'évolution du rapport de transmis-sion ::: R: les bornes sont pour les récepteurs:

g _roues h 'l'_{e Ices}

* en démarrage: 1

~OO

-...0 1

~OO

-..-0

2724,8 9

*en vitesse maxi : - - . 1 0

2500 '

1500 2500 -..-0,6

3) Conditionnement de la marche des récepteurs: Le véhicule se déplace suivant les trajectoi-res dont le rayon de courbure évolue entre et 18 m. En établissant l'hypothèse que les roues sont parfaitement. identiques en diamètre, je peux écrire les relations suivantes fondées sur la distribution des vitesses avec une vitesse de glissement sol-roue nulle.

0i : centre de la roue i

Les vitesses de rotation des roues sont identi-ques deux à deux:

2) Tableau de marche des récepteurs: Configurations envisagées: W2 == w4 - - - - 1• • 02 04

---condition nécessaire 0: * Route ~ * Terrain 'Y

*

Mixte

o

* Aquatique

o

repos 1 marche (réducteur1/15) (réducteur1/60) (réducteur1/15) Proposition:

La vitesse Wi résulte d'une double transfor-mation, les transformateu rs sont la pompe (j)

etle moteur (il, je peux: 1 - agir sur les 2 organes cités 2 - agir sur la pompe (i)

3 - agir sur le moteur (il

I~'

RI R₂ R) R. R 5

R.

conf. a 1 1 1 0 0 B ₁ 1 1 ; 0 0 yIV 1 1 0 - 1 0 y~ 0 0 1 1 0 1 ;N 0 0 c 1 0 ;)\< 0 0 a o 0 1 Je remarque:

10 ) quatre fonctionnements simultanés 4 cir-cuits indépendants

pour 0: et ~

20 )trois fonctionnements simultanés 3 cir-cuits indépendants

pour 'YAIet 'Y AR

Deux de ces trois circuits sont déjà existants; solution:

R5 peut être monté en

Il

_{avec R1 ou R2} R6 peut être monté en

Il

_{avec R3 ou R4}

30 )le tableau fait état de la marche ou de l'arrêt des récepteurs, mais ne donne à aucun renseignement sur l'intensité du flux.

Critique:

1 - complications inutiles

2 - très intéressant, les pompes sont essentiel-les et leur emplacement proche d'une com-mande

2 - intéressant, les moteurs sont placés dans les moyeux de roue dans une zone exposée. Choix:

Je retiens la deuxième proposition.

Les variations des cylindrées des pompes CY1 == CY3 et CY2 == CY4 seront asservies à la position angulaire du volant de direction. Cette 1ère solution est la plus intéressante de point de vue théorique.

D'autres inconvénients sont à cités:

- les pneumatiques n'ont pas le même dévelop-pement, ce qui entraîne une marche en «crabe» du véhicule et une usure accentuée de ceux-ci. - commande d'asservissement complexe, la pan-ne devant être exclue. Un dépannage simple est impossible.

- un décalage de cylindrée sur un des organes prend une importance démesurée.

De cette étude, je reti re que les quatres roues sont indépendanter en couple, mais elles ont une vitesse pré-établie compatible avec la trajectoire du véhicule (asservissement).

Une 2ème solution moins satisfaisante sur le plan cinématique peut être adoptée dans le cas de patinage des roues.

Cette solution très simple impose lors d'un patinage une trajectoire rectiligne et une vitesse modérée car il peut se produire une réaction violente de la roue qui adhère au sol.

Lorsque le véhicule ne patine pas la distribu-tion du flux doit se différentier sur les roues d'un même train ; AV et AR. Je remarque qu'un déséquilibré peut apparaftre entre le train AV et AR, les courbes sont de l'ordre des

dé-fauts des pneumatiques ( cp) et des défauts des

transmissions (calage des cylindrées et des fuites). J'aboutis à une distribution de flux aux

récep-teurs adaptative réalisée par un montage en Il

des 4 pompes et des 4 récepteurs.

CONCLUSION:

Marches route et terrain

patinage 10 ) Marche terrain

20 ) Mixte: Marche en ter

-rain sur un t-rain et hél ice opposé au train

: montage en Il ~ sécurité dynamique

Rrioritaire

: montage en 4 ~ utilisation interdite sur

circuits indépen- sol dur et en route.

dants

commande impulsionnelle

:montage en circuits~anti-patinagepermanent

indépendants

commande mémorisée

4) Choix du type de circuit

Le moteur thermique diesel et la

transmis-sion hydrostatique permettent un ralentisse-ment du véhicule, grâce au couple de retenu. Pour faire participer le moteur au freinage, des circuits fermés s'imposent!

Dans la solution aquatique, il n'y a pas de frein, le circuit fermé s'impose forciori.

Les pompes sont à cylindrée variable,

l'inversion du flux permet l'inversion de mar-che des récepteurs, ce qui évite 4 distributeurs 5) Compléments de marche sur les récepteurs:

D'après la remarque 30 ) du paragraphe 2)

je reprends la lecture du tableau. Les 0

repré-sent le repos du récepteur considéré. Doit-il être bloqué en position ou libre?

Configuration:

0: • -~R

5et R6doivent être bloqués

~

.-

~

r _{AV. - R3 et R4 libres R6 bloqué}

r _{AR.- R1 et R2 libres R5 bloqué}

a

AV.- ~R1' _{R2, R3, R4 R6 bloqué}

a

AR. -~ libres _{R5 bloqué}

- En navigation et en mixte les roues non, en-trainées par le Diesel ne doivent pas s'oppo-ser au déplacement lors d'un obstacle, mais rouler sur lui.

- Un remorquage du véhicule à vitesse lente

doit être possible lorsque le Diesel est en panne ou les commandes de variation des cylindrées.

Un distributeur 2 x 2 par circuit convient pour satisfaire aux 2 points précédents. 6) Éléments de commande:

- La commande de variation des cylindrées

des moteurs et des pompes est (pour la

sou-plesse de traitement et de transport) électri-que avec un relais de puissance hydrauliélectri-que.

- Lorsque un récepteur est au repos «0» la

pompe correspondante se cale à cylindrée

- Nombre de commande pour un poste de conduite: AV par exemple

1 - pédale frein - frein 4 roues

2 - pédale accélérateur-w g Diesel

3 - levier route-terrain -réducteur1/15 1/60

et anti-patinage--4 circuits indépendants

3 positions route~

1

terrain ~. à mémoire

anti-patinage(Y/ avec maintien manuel

4 - navigation - mixte

R5 navigation~ ' , .

-a memoire

R1,R2,R 5 indépendants mixte

5 - inverseur de marche (inversion possible

si ~ CYi = 0)

6 - sélecteur du poste de pilotage AI ou AR 7) Éléments complémentaires:

- gavage des circuits fermés

soustraction modulée du débit de chaque circuit pour refroidissement

- fi Itration en sortie de pompe de gavage

Il - SCHEMA DE L'INSTALLATION

1ère solution : 4 circuits indépendants,

remorquage du véhicule. Asservissement des cylindrées des pompes par la position 'du volant directionnel et de Wg'

4

Commandes en configuration :

R, R, R) q

-

J; 0

6 CYl 1CY} cy) CY...

CletIl ,.

,

,

1 o 0

,

,

,

,

y AV

,

,

0 0 ; 0

,

,

,

"

yAR 0 0

,

\ 0

,

o

,

1 1

,

AV 0 0 0 0 1 0 o 0

,

0 sAR 0 0 0 0) 0

,

0

,

0 0 remorqua 0 0 0 o ,) _o 0 0 0 0 ge

Lire dans le tableau uniquement CYi de la

pompe i et du moteu r i.

2ème solution:

- 4 circuits indépendants, remorquage du véhicule.

- 4 pompes avec Cy 1

=

CY2

=

CY3

=

Cy4

fonction linéaire de W9 uniquement.

- mise en

Il

des 4 pompes et des 4 moteurs

en configurations route et terrain.

même schéma que la 1ère solution avec le complément suivant:

3 distributeurs P, la commande est la même.

Position prioritaire, P non alimenté, 4

mo-teurs en

Il.

En mixte : la commande P existe et donne les 4 circuits indépendants dont trois sont utilisés (voir tableaux pages 2 et 7)

En navigation : la commande P existe et

donne les 4 circuits indépendants dont un est utilisé (voir tableaux pages 2 et 7).

3

4

Nota : En navigation, le fonctionnement des 2

hélices est très facile à obtenir si le besoin

exis-te. (maintien du véhicule perpendiculairement au courant).

III - LES CARACTERISTIQUES DE L'INS· TALLATION:

Il s'agit bien évidemment de l'installation

hydrostatique. Les 4 circuits sont identiques

et répondent au schéma simplifié suivant:

10 ) Calcul de Cimaxi et de la cylindrée maxi

(Cy~xj)

du-

~oteu~ Ph~~

_de

dé~a~~e~ ~~

-

-terrain. 1 60 C· 1

=

C_si W si w, 1 1

Couple maxi au moteur Cimaxi 60 Csimaxi

C = _1_. 62000

=

1033,33 mN imaxi 60 R:l. Csi 60 GJsi

r---...,

Cg

0

4

[ : J

G>g

J'ai déjà établi les conditions aux limites du flux,

voyons celles de l'effort c'est à dire le couple et

la pression. Ces résultats seront consignés dans le tableau.

1Cimaxi

=

1033,33 mN

Cylindrée maxi de moteur

Les valeurs soulignées sont calculées.

C

Ca~~ ~ Ci~P-,-

,(

~

à

_6~ ~m~h_d~ V~h~c~~

:

La cylindrée de la pompe est maxi celle du moteur est mini on a :

nt esei Transmission arbre Réduction arbre. roue 6hicule hydrostatique eocecr

flux maxi. I-lgmalti"'2500Rpm Qm.axi-2251 ItJJn w{'"Z724.8Rpm 1/15 w~:~81.65RP 60km/h effort ~156.Z) r ot teœent (flux raaxL p. - Ci"~ 1/15 C_{s i:2150}mN oulement oute hc r La _{énétr atLon} Lr flux nul "'g'"1200 q •0 ,.0 1160 si:.0 étnarrage effort ~:uivant masse48000 mÛ p .-420 bar _Ck.:~~))')) 1/60 C s i""62000mN +frottement 4 rapport maXl(~) 1033,33 +5 420,10 C·₁ Cymaxi -- 21T C·ImaXI. = 21T P_{max i} . -6 3 3

Cymaxi = 154,6.10 m /tr soit 154,6 cm

Itr

Je prends une Cymaxi moteur de 160 cm3ltr valeur arrondie qui permet de minorer la pres-sion:

Pmax i

=

2 Cimaxi

=

_{2 1033,33 106}

=

405 105 MP

Cymaxi 160 r a

Cymax'l moteur

=

160 cm3_tr P_maxi. ₌ 4058 b_{, ars}

- Les cylindrées mini du moteur et maxi de la

pompe sont obtenues sur route à vitesse maxi du

véhicule.

La condition de débit maximum est alors éta-blie: 1,09 (valeur voir page 2) 1 -

-15 avec Wimaxi Cy m mini C_g/4

Wgmaxi

=

Cyp maxi

=

~

La pression ne peut être calculée, la cylindrée mini moteur est inconnue.

624,93 mN C ~= 1,09. Ci 4 C·₁ Csi

=

143,33 mN

15

156,23 Ci

=

143,33 mN 60 km/h Cg

=

624,93 60 km/h

Qmaxi

=

Cymini moteur. wi

=

_{Cymaxi pompe. w g}

On obtient:

C ., moteur= 225.103_ 82,6 cm3/tr

vrmru 2724,8

Je prends 80 cm3/tr comme valeur mini, le véhicule peut atteindre une vitesse de 3,22% de plus ( #62 km/hl

1

C ., moteu r

=

80 cm3/tr1

w_g 600 1200 1450 1700 1950 2250 2500 ~yp 0 0 45 90 90 90 90 ~y" 160 160 160 160 135 lOS 80 go ri 0 rl::>; l l , 2 5 .

~

II-r"

6,24.10~

.>:

-4 .»> r'=-12.S.10 r 0 0 0,28125 0,5625 .6666 0,8571 1,125 l'

Nous avons vu que cette valeur

est plus forte de 3,2%

30 ) Courbe de variation du rapport de

transmis-~o~en fonctionileYg:=:- - -

-C'est le rapport entre les vitesses de sortie et d'entrée, c'est aussi le rapport inverse des

cylin-drées. .

600 à 1200 tours Cyp

=

0 ; CyM

=

160 ... r

=

0

1200 à 1700 tours _Cyp

=

_{0,18w g-216;}

Cym = 160 constante s.r droite

1700 à 2500 tours Cyp = 90 constante;

Cym

= -

0,1 Wg+ 330 -...hyperbole . 3 domai nes : 1700 Qg lr/mn 9 oh-_ _~_ _..J-,--_----I.:-:::---_ 600 Cy cm31:r 90 80 160~---...Jr>1"" -90 1Cymaxi pompe

=

90 cm3/tr 1

20 ) Courbes de variation des cylindrées pompe

~mQteuren fonc!lonnement- ~g-=-:-

-Le couple maximum disponible à la roue est maintenu jusqu'à 1700 tr/mn pour ce faire le Cy moteur est maxi.

Cymaxi pompe: 225.103_ 90 cm3/tr

2500

Je fais apparartre une cylindrée négative pour bien insister sur l'inversion de flux, le véhicule étant ambidrome. Équations: 1) Cy pompe: domaine 1200 0281 5 71

/

N / 25 . /

/

25

71

o o CD 0.85 066 056 1.12 b

= -

216 W_g

=

1700 C_y

=

90 W

=

1200 9 C_y

=

0 90 = 0 18 1700 - 1200 ' a 2) Cy moteur: domaine 1700 Wi 2500 C

=

Cw + d y 9

L'inversion de cylindrée donne un

graphe symétrique par rapport à_{Ow g.}

C

=

80 - 160

= -

0,1 C

=

80 W

=

2500

2500-1700 y 9

C_y = -0,1 w_g+ d d = 160+ 0,1.1700

d

=

330

Je remarque en traçant la courbe de couple demandé au générateur pour 1700 tr/mn est supérieur au couple disponible au Diesel. D'autre part le Diesel est surpuissant entre 1200 et y tr/mn.

La fonction de w_{g du couple du Diesel est}

connue graphiquement ce qui impose la solu-tion graphique. Voir page 4 du sujet.

2500 Oy

y1700

o 1200

C

2326.2 1 - - - 1

40 ) Graph~du~oup~ Ei_d~ _m~t~u~ ~~r~~

!lq.!:!~: ~o.!:!~e deJ:ract~.!:!

La seule variation intéressante est le couple maxi qui est limité par l'effort :

1 - le récepteur est limité par la meilleure adhérence avec le sol.

2 - le générateur de vitesse (Diesel) : courbe de cou pie foncti on de Wg'

Le couple de démarrage est de 1033,33 mN. On cherche à maintenir le couple rnaxi, ce qui donne une éccélération constante maximale au véhicule.

Le couple Cg demandé au moteur est: C

.l,

Cg= _{y.p avec Cy =} 0,18 w_{g -} 216

4 21T

C ( )-p maxi 6

gmaxi demandé wg - 21T • (O,18w g-216)10-m.N

De la solution graphique je trouve:

v:

~

J

510-!rLm~

e.

a

_!:..

_~~è~

soit 1470 mN pour Cgmaxi diesel demandé

en récapitulatif: quatre domaines:

Cgmaxi Unités: Cg-.mN N p ---.. - Pascal m2 600à 1200 1200à 1520 1200à 1520 1700à 2500 est nul constant

=

1033,33 C /4 r

=

9 C·= r.C C. 1 4 9 ·1 - - - - -- - - discontinuité de r Ci

=

r, Cg 4 -w 600 1200 1450 1700 g

t

Cgdemandé 0 0 290,78 581,55 C demandé 0 0 1163,10 2326,21 g p maxi

,

bar C_y

=

(O,18w_g-216) _ 10-1 Cd_{9 em.}- -_{21T •} 6,46 (0,18 w_{g -}216)

•

tr/mn (O,18w_g-216)

Mesure de Cg diesel sur le graphe. Tableau de valeur: . w g 600 1200 1450 1520 1700 1950 2250 2500 1 r 0 0 0,28125 0,36 0,5625 0,6666 0,8571 1,125

!

gdiesel 0 0: 1163.10 1163.10 # 1470 1480 1470 1440 1404 utile C_{i max i 0} 0: 1033,331033.33 1033,33 657.78 551,31 .20 JI2 ,

COUPLE DE TRACTION SORTIE MOTEUR HYDRAULIQUE Ci maxi utilisable accélération ~ limite adhérence 2500 GJ9

saturation en vitesse du dlesei discontinuité de la dérivée

point singu lier

657.781----.:~-+_4c: limite de couple du diesel

500

seuil devarial\i<_~+-f.--.J--+-...:s,;,

la cyllndrée d "'P="=--:l--+-+--+--if.--""Ç

Pour le couple de traction à la roue

X 15 en configuration route X 60 en configuration tension

14.Tl 23.1 49.5 60 km/h vitesse route

3.7 5.13 8.65 1212 15 km/h vitesse terrain

Cou~QQ

il!!;~.iilil~ ,,1. ' .fi} ~ l ' .;~::I;.I'I~

,:"

Iii:,' :, ,[ " ruu: ,Ji, " , . ' ," ,. ,. l'":1j!lh,1

'1'[,.,: liPlii:III'liill'

rillf!l t '!L.rt •••• _.~~~Hj:~:.. ,~:i~tm Il 1tiN;'j;. ._.+1 1,11,,!~!.:\.il!d.~ tttitT:I~'~' l.H-m~t.I.~lll htl1IiiiHlIl!!1 1I1i1!lI1! Il

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