Optimisation du rendement hydromécanique d'un moteur hydraulique à palettes par diminution des frottements visqueux de la cartouche

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Submitted on 17 Sep 2015

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Optimisation du rendement hydromécanique d’un

moteur hydraulique à palettes par diminution des

frottements visqueux de la cartouche

Noredine Cheikh

To cite this version:

Noredine Cheikh. Optimisation du rendement hydromécanique d’un moteur hydraulique à palettes par diminution des frottements visqueux de la cartouche. Mécanique [physics.med-ph]. 2011. �dumas-01201579�

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2011

Jury

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Membres: Monsieur BEAUSSART, Directeur du Centre Régional

Monsieur WOLLENSACK, Enseignants du Cnam Région Centre Monsieur PENNETIER, Enseignants du Cnam Région Centre Monsieur LANGLET, Enseignants du Cnam Région Centre Monsieur BORDET, Responsable de Bureau, Société PARKER

Monsieur BEAUSSART, Directeur du Centre Régional

Monsieur WOLLENSACK, Enseignants du Cnam Région Centre Monsieur PENNETIER, Enseignants du Cnam Région Centre Monsieur LANGLET, Enseignants du Cnam Région Centre Monsieur BORDET, Responsable de Bureau, Société PARKER

Noredine CHEIKH 2 Mémoire CNAM

Résumé

Le bilan de l'analyse du développement du nouveau moteur M5AS fait apparaître certaines carences enterme de dimensionnement de pièces. Cela doit conduire à établir un partenariat renforcé avecles fournisseurs concernés.

La recherche de l'optimisation du rendement hydromécanique du moteur à palettes s'est appuyée sur l'élaboration d'un nouvel outil permettant une évaluation des fuites et pertes de couple au-dessus de la palette. Il a permis également de mettre en avant des solutions qui reposent sur des modifications de la qualité de surface et le rayon de palettes tout en respectant les impératifs techniques et économiques de l'entreprise. L'objectif global est de réduirela consommation énergétique des produits de Parker.

Mots clés : moteurs hydrauliques à palettes – perte de charge – écoulement laminaire en conduite cylindriques

Abs

trac

t

The analysis ofthe development ofthe new motor M5AS has pointed certain deficienciesin the sizing ofthe parts. It hastoleadto establish a partnership strengthened withthe concerned suppliers.

The optimization of the hydromechanical efficiency on the vane motors, based on the elaboration of a newtool has permitted an evaluation oftheleaks andthetorquelosses over the vane. The present work has provided technical solution based on modifications of the quality of the surfaces and of the radius of vanes. These solutions fulfil both technical and economic requirements of the company PARKER. The global objective is to reduce the energy consumption ofthe products of Parker.

Noredine CHEIKH 3 Mémoire CNAM

Remerc

iemen

ts

Je remercie Mr Roland CHERRIER, responsable de l’usine Parker à Vierzon pour m’avoir permis d’effectuer mon mémoire au sein del’entreprise Parker.

Je remercie Mr Jean-Luc BORDET, responsable du bureau d’études, qui a initié la proposition de sujet de mémoire.

Je remercie mes collègues du bureau d’études, et tout particulièrement Rémi PINEAU pour sonimplication dansla mise en œuvre des essais du mémoire.

Je remercie Mr André LANGLET, enseignant chercheur en mécanique à l’Université d’Orléans (laboratoire PRISME), et intervenant au CNAM de Bouges pour sa disponibilité, ainsi que pourl’apport précieux de sa connaissancethéorique.

Je remercie mon épouse Nawel, mes enfants Ouassim et Ziyad, pour leur patience et leur soutien durant ces quelques années ouj’étais au cours du soir plutôt qu’àleurs côtés.

Je remercie mes parents qui grâce à leur éducation, m’ont transmis l’abnégation qui m’a permis d’allerjusqu’au bout de ce cursus.

Enfin, j’ai une pensée particulière pour ma petite sœur Samia, qui vient de devenir dentiste, ainsi que pour mes deux grands frères Djamel et Mohamed.

Noredine CHEIKH 4 Mémoire CNAM

In

troduc

t

ion

Contexte

En 2008,la société Parker surle site de Vierzon, décide de développerle plus petit modèle de la gamme de moteurs hydrauliques à palettes destiné au marché d'entraînement de ventilateur pourle refroidissement de radiateurs dansle marché des engins detravaux publics. En effet, les moteurs existants sont surdimensionnés et non concurrentiel d'un point de vue économique pour des ventilateurs de petites tailles (environ 700 mm de diamètre), ce qui nous pousse à développer ce moteur qui sera baptisé M5AS.

On m'a confiéla responsabilité de ce développement àla suite del'établissement d'un cahier des charges dela part du service Marketing. Celui-ci se déroule en plusieurs étapes qui seront détaillées dans ce mémoire.

Il m'a été demandé d'apporter des solutions afin d'optimiserle rendement hydromécanique de ce moteur qui se situe dans un marché très concurrentiel. Ceci constituera le coeur de la problématique de ce mémoire.

Ce mémoire s'articulera autour de deux parties principales:

Le développement du moteur en question dans lequel sera détailléle management de projetintrinsèque àla société Parker etles étapes de celui-ci.

L'optimisation du rendement hydromécanique de ce moteur seratraitée en parallèle du développement de ce moteur dans la mesure où cette demande s'inscrit dans le cadre d'une amélioration globale de la qualité des produits du site de Parker Vierzon. Ceci consistera principalement à développer un modèle de calcul qui permet de quantifier les pertes en faisant varier les différents paramètres (pression, vitesse, viscosité...) et d'apporter des améliorations parles différentes solutions possibles. Un certain nombre

Noredine CHEIKH 5 Mémoire CNAM d'hypothèses seront réalisées par rapport aux moyens disponibles au sein de l'entreprise. Ce modèle sera qualifié par l'intermédiaire d'une série d'essais dans le laboratoire du service Engineering chez Parker Vierzon.

Ce mémoire se déroulera sousl'autorité de Mr BORDET Jean-Luc, responsable du bureau d'études (voir organigramme ci-dessous). Mr André LANGLET, professeur de Mécanique au CNAM de Bourges seraletuteur de mémoire.

R. CHERRIER General Manager Vane pump Division

J-L BORDET Engineering manager

N. CHEIKH Responsable projet N. FERNANDEZ Responsable projet C. DUBOIS Responsable projet H-C. SAIPHOU Dessinateur projeteur

S. RONCARI

Noredine CHEIKH 6 Mémoire CNAM

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monde:

Direct 4.1% Asia 18.2% North Us 26.5% South Eur 23.7% North Eur 27.5%

Noredine CHEIKH 7 Mémoire CNAM

Somma

ire

1. PRESENTATION DU PROJET 12

1.1. Concept et fonctionnement 12

1.1.1. Le moteur dans son application 13

1.1.2. Nomenclature et rôle des pièces 15

1.1.3. Explication détaillée dufonctionnement du moteur 18

1.2. Phases du projet 20

1.3. Conclusion dela première partie 24

1.4. Introduction dela problématique 25

2. DECOMPOSITION DES FUITES ET PERTES DE COUPLE 26

2.1. Contact rotor/plaque 26

2.2. Contact palettes/rotor 27

2.3. Contact palettes/came 27

2.4. Contact palettes/plaques 28

2.5. Perte de charge dansles conduits du chapeau 28

2.6. Autres pertes de couples par frottement 29

2.7. Notion de rendements 30

2.8. Conclusion dela deuxième partie 32

3. FORMULATION DU PROBLEME 33

3.1. Restrictions del’étude 33

3.2. Bilan des forces exercées sur une palette 33

3.3. Expression dela fuite et dela perte de couple 37

3.3.1. Fuites non prises en compte 37

3.3.2. Fuite au-dessus dela palette 39

3.4. Création du code de calcul et présentation des résultats 43

3.5. Estimation dela résultanteF epi t des fuites 46

3.6. Paramètresinfluents 49

Noredine CHEIKH 8 Mémoire CNAM

4. MISE EN OEUVRE DES ESSAIS 51

4.1. Méthode et moyens d'essais 51

4.2. Mesure des pièces 54

4.3. Etalonnage du couplemètre 55

4.4. Mesure des couples sans palettes 55

4.4.1. Mesure des autres pertes de couples 55

4.4.2. Mesure de pertes de couple du rotor surles plaques 57

4.5. Mesure des couples avec palettes 58

4.6. Mise en œuvre des solutions envisageables 58

4.6.1. Rugosité du profil de came 59

4.6.2. Qualité de surface des palettes (diminution deF ) pr 60

4.6.3. Diminution du rayon (diminution de h) 60

4.6.4. Essai en pression 62

4.7. Analyse des résultats 63

4.8. Conclusion dela quatrième partie 64

5. OPTIMISATION DU RENDEMENT PAR L'AMELIORATION DU SYSTEME 65

Noredine CHEIKH 9 Mémoire CNAM

Term

ino

log

ie

Qthéo Débitthéorique du moteur [l/min]

cyl Volume de fluide déplacé partour (cylindrée) [cm3/tour] N Vitesse de rotation [tr/min]

Cthéo Couplethéorique du moteur[N.m] p Pression [bar]

vol

η Rendement volumétrique (rapport entrele débitthéorique etle débit mesuré) [%]

réel

Q Débit mesuré en sortie du moteur [l/min]

mec

η Rapport entrele couple réel etle couplethéorique [%]

réel

C Couple mesuré du moteur[N.m]

i

Fc Force centrifuge àl'angle i [N] m Masse dela palette [kg]

ω Vitesse de rotation [rad/s]

rGi Rayon du profil de came au centre de gravité dela palette àl'anglei [m]

i

Fi Force d'inertie [N]

i

Fr Force desressorts àl'angle i[N] k Raideur du ressort [N/mm] Ll Longueur libre du ressort [mm]

i

Noredine CHEIKH 10 Mémoire CNAM a cote dulogement de ressort dansla palette[mm]

b cote dulogement de ressort dans rotor [mm]

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F _{Force de frottement entrela palette etle rotor [N]}

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S Surface de frottement entrela palette etle rotor àl'angle i(m²) i

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v Vitesse de sortie de palette àl'angle i (m/s) e Epaisseur du film d'huile (m)

p

F Forcetotale dela palette [N] d Diamètre hydraulique [m] S Aire de passage dutube [mm²]

χ Périmètre mouillé dutube[mm] h Hauteur de film [mm]

R Rayon équivalent[mm]

α Coefficient de poisson E Module d'Young [Pa] v Vitesse de glissement[m/s] L Largeur de came [mm]

ρ Masse volumique del’huile [kg/m3_]

Noredine CHEIKH 11 Mémoire CNAM

p Pression de contact [Pa]

f

q Débit de fuite [mm3_/s]

l Largeur de contact [mm] p

∆ Différentiel de pression entreles deux chambres dela palette [MPa] Q Débit de fuitetotal [l/min]

dpi

q Débit de fuite au-dessus d'une palette à un anglei [l/min]

f

Noredine CHEIKH 12 Mémoire CNAM

1

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Dans cette partie, nous nous attacherons à expliquer le fonctionnement du moteur M5AS. Puis, nous rentrerons dans le détail du management de projet au sein de la société Parker de Vierzon.

1

.1

. Concep

t

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t

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t

Afin de mieux comprendre, nous nous intéresserons au moteur dans son application, puis nous introduirons les différentes pièces qui le composent et enfin nous détaillerons sonfonctionnementintrinsèque.

Noredine CHEIKH 13 Mémoire CNAM 1.1.1. Le Moteur dans son application

Noredine CHEIKH 14 Mémoire CNAM

T

T

Pompe Moteur Ventilateur

Fluide sous pression Fluide en basse pression Fuite

Figure 2 : Le moteur hydraulique dans son application àtravers un schéma simplifié Le moteur hydraulique transmet une énergie mécanique à son récepteur après une double transformation d'énergie (mécanique=> hydraulique=> mécanique):

• Le moteur thermique de l'engin (bulldozer, excavatrice...) met en rotation la pompe hydraulique parl'intermédiaire d'uneliaison mécanique.

• Ceci a pour effet de créer une aspiration de fluide du réservoir vers la pompe hydraulique par l'intermédiaire d'une cinématique de variation de volumes. • Le fluide est refoulé de la pompe vers le récepteur hydraulique qui est ici un moteur

(autre récepteur: vérin...) sous haute pression (proportionnel àla charge du récepteur). • Ceci a pour effet de mettre en rotation le moteur hydraulique qui entraînera le

Noredine CHEIKH 15 Mémoire CNAM 1.1.2. Nomenclature et rôle des pièces

Arbre S Carter

Plaqueflottante P Cartouche

Chapeau d'alimentation C Vis d'assemblage

Noredine CHEIKH 16 Mémoire CNAM Arbre S: c'estla pièce qui est mise enrotation parl'intermédiaire delaliaison "cannelures

/ dentelures" avecle rotor et qui entraînele récepteur qui est un ventilateur pour ce moteur.

Carter: il permet de loger la partie cartouche et plaque flottante, ainsi que les joints d'étanchéité.

Plaque flottante P: c'est la pièce qui permet de faire la "fermeture hydraulique" de la cartouche par l'intermédiaire de la récupération du fluide en pression. Elle permet égalementl'équilibrage axial dela partietournante puisque des rainuresidentiques au chapeau ont été conçues.

Récupération du fluide en pression

P Ra

inures

Noredine CHEIKH 17 Mémoire CNAM Chapeau d'alimentation C: C'estla pièce qui permet d'acheminerle fluide sous pression en

provenance de la pompe vers la cartouche, puis de le refouler versleréservoir.

Cartouche: c'est la "partie noble" du moteur. Celle-ci se compose d'une partie fixe qui est la pièce A appelé came et d'une partie mobile composée du rotor B et des palettes au nombre de 12. C'est cette partie mobile qui met en rotationl'arbre S par l'intermédiaire de la liaison "cannelures / dentelures". Les ressorts R assurent une force de poussée minimale en fonctionnement basse vitesse (faible force d'inertie des palettes).

Haute pression basse pression

A

B

S

R

1

p

4

p

3

p

2

p

Noredine CHEIKH 18 Mémoire CNAM 1.1.3. Explication détaillée du fonctionnement du moteur

Le fluide sous pression1 _{est apporté dans le moteur par l'intermédiaire de la partie C}

appelée chapeau d'alimentation (voir fig. 6), il est ensuite distribué dans la cavité séparant la partie A appelée "came" de la partie B appelée « rotor » (voir fig. 5), lequel est solidaire de l’arbre S. Les « palettes » sont montées sur le rotor, à l’intérieur de rainures. Le fluide va entraîner en rotation l'ensemble palettes, arbre, rotor. Chaque palette est contrainte de se maintenir en contact avecla paroiinterne de A, sousl’effet de:la force centrifuge,la pression du fluide sousla palette, et d’un ressort R permettantle fonctionnement aux basses vitesses. Chaque palette offre dansle fluide à haute pression, une surface différente selonla position angulaire du rotor en rotation. Ainsi, la force de pression résultante sur chaque palette est croissante dans le sens de rotation du rotor. La géométrie du profil de la came A permet d'avoir un gradient de pression (p1 > p2 > p3) afin de garantir la mise en mouvement de la palette, celle-ci permet également d'avoir deux zones hautes pression et deux zones basse pression, maintenant en équilibrela partietournante. Dansla phase de basse pressionle fluide est évacué du moteur par l'intermédiaire du chapeau versle réservoir d'huile.

Figure 6 : Chapeau d’alimentation

1_{La pression du fluide dépend dela charge mécanique du récepteur à entraîner. La pression est représentée en rouge dansles}

différentesfigures. La basse pression(ou pression derefoulement) estreprésentée en bleu

Noredine CHEIKH 19 Mémoire CNAM Afin de garantirla fermeture dela cartouche,le fluide sous pression est acheminé derrièrela partie P appelée "plaque flottante" qui maintient ainsi un serrage hydraulique et l'étanchéité de la cartouche (voir fig.7). La cote de largeur X de la came A est supérieure à la cote de largeur X du rotor B et des palettes, ce qui permet la création d'un film d'huile et un frottement visqueux entreles pièces prévenant ainsitoutrisque de grippage.

Récupération du fluide en pression pour créer une force de fermeture dela cartouche

X

A

B

C

P

Figure 7 : Vue en coupe d’un moteur

Une partie des fuites du moteur est récupérée dans le circuit basse pression, l'autre partie des fuites est récupérée parl'intermédiaire del'orifice de drain (en bleu clair).

Dans les parties C et P, des rainures d'équilibrage sont usinées pour assurer une transition progressive entrela basse etla haute pression.

Noredine CHEIKH 20 Mémoire CNAM

Rainures d'équilibrage

Figure 8 : Vue deface d’un chapeau de moteur

1

.2

. Phases

du

pro

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Le site de Parker Vierzon étant certifiée ISO 9001, le management de projet en découle directement. Toutefois, des spécificités ont été ajoutées afin de rationaliser le développement au sein du groupe Parker. C'est pour cette raison que nous utilisons unlogiciel intranet appelé Winovation.

Le projet se décompose en 6 phases comme présentées ci-dessous. Celui-ci s'organise autour du responsable de projet avec un membre de chaque service concerné (achat, marketing, méthodes, fabrication, qualité), chacun devant remplir les documents nécessaires. A la fin de chaque étape, une présentation est effectuée par le responsable de projet, c'est sur la base de celle-ci que l'équipe décide de passer à l'étape suivante par l'intermédiaire d'une notation collective appelée Scorecard (annexe 1). Sila note est inférieure au minimum requis, plusieurs décisions peuvent être prise:

-le projet est abandonné

-le projet est recyclé pour aboutir à un autre produit

-le passage à une autre phase est reporté à une date ultérieure

Un planning prévisionnel (fig.9) a été établi parle responsable du bureau d'étude en fonction des priorités.

Noredine CHEIKH 21 Mémoire CNAM Figure 9 : planning prévisionnel du projet M5AS sur Winovation

Génération d'idée: l'idée de nouveau produit est une rationalisation entreles besoins du marché avec les solutions techniques pour satisfaire ce besoin. L'idée est la donnée d'entrée du processus. La qualité et la quantité des idées sont essentielles pour la réussite du nouveau produit. Pour le cas du moteur M5AS, il s'agit d'une extension de gammes. En effet,le site de Parker Vierzon propose deux tailles de moteurs hydrauliques pourl'entraînement de ventilateurs. Plusieurs opportunités pour des ventilateurs de petite taille ont été manquées, c'est la raison pour laquelle il a été décidé de développer un moteur de petitetaille dédié à ce marché.

Concept: cette étape est relativement rapide. Elle consiste en une critique parl'équipe del'idée afin de savoir si un concept peut être proposé en rapport avec les moyens de l'entreprise. Pourle cas du M5AS,latechnologie de moteur à palettes est maîtrisée et ne posera aucun problème de moyen. C'est durant cette étape queles premiers plans de pièces seront réalisés,le service méthodes apportera sa compétence pour proposer des modifications quand àl'usinabilité de celles-ci.

Faisabilité: le but del'étape de faisabilité est d'améliorerla conception du produit proposée pour arriver à une définition de produit rentable, et pour établir les bases saines afin de faire progresserle produit versl'étape Développement. Le résultat de cette étape est un produit défini, un marché ciblé et la compréhension de la faisabilité technique

Noredine CHEIKH 22 Mémoire CNAM avec un plan d'investissement. Durant cette étape, nous simulons le risque de rupture des pièces parl'intermédiaire d'unlogiciel de calcul numérique par éléments finis surlelogiciel Ansys Design Space (voir Fig. 10).

Figure 10 : Contrainte dans un chapeau danslequel est simulée une pression de 280 bar Développement: le but de cette étape est de fabriquer un prototype testé en laboratoire et de

définir un plan de production et d'approvisionnement des pièces brutes. Durant cette étape, la recherche de précisions concernant les données d'entrée du client est effectuée et les changements du marché sont surveillés. C'est vraisemblablement la pluslongue et la plus coûteuse des cinq étapes. Pour la qualification des pièces nouvelles de fonderie, nous réalisons des essais d'endurance statique dans les conditions extrêmes du cahier des charges (1 million de cycle de montée/descente en pression à 280 bar), afin de confirmer la résistance de celles-ci. Dans le cas du M5AS, un chapeau arrière a rompu après 500 000 cycles (voir fig.11), ce qui est problématique puisqu'il y a une perte detemps pourla reconception etla requalification du produit

Noredine CHEIKH 23 Mémoire CNAM Figure 11 :Rupture du chapeau arrière M5AS après 500 000 cycles

Qualification et pré-production: l'étape 4 valide le produit avant sa commercialisation. Le produit est fabriqué et testé, la reconnaissance du marché est vérifiée, les processus de production sont validés, et l'intérêt financier du projet est confirmé. L'outillage et l'équipement de production sont achetés et validé au cours de cette étape. La finalisation des plans pour la mise en production intervient au cours de cette étape.

Pour le M5AS, la qualification se traduit par des essais d'endurance afin de vérifierlatenue mécanique des pièces dans les conditions extrêmes.

Noredine CHEIKH 24 Mémoire CNAM Mise en production: le produit est lancé en fabrication de série àtraversla mise en application

des consignes. Durant cette étape,le produit est suivi àtravers un "Product Life Cycle Plan",l'équipe projet fera une évaluation du succès du projet à travers un "Post Launch Review".

1

.3

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de

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• Nous avons ici détaillé ce qu'était le déroulement d'un nouveau projet au sein du bureau d'études de Parker Vierzon ainsi que le fonctionnement du moteur. L'objectif était de faire comprendre aulecteur quel était le rôle du responsable de projet et de placer le contexte de la problématique de l'optimisation du rendement hydromécanique.

• Il est à noter que des améliorations pourraient être apportées au niveau des étapes "Faisabilité" et "Développement" du projet puisqueles simulations réalisées n'ont pas permis de décelerla fragilité d'une pièce qui a été révéléelors del'essai d'endurance. Ceci est principalement lié aux imperfections métallurgiques et géométriques d'une pièce moulée de fonderie qui peuvent difficilement êtreintégrées dans deslogiciels de calcul. Il serait opportun de faire une étude comparative entre les simulations et les essais afin detrouver des coefficients de correction àintégrerlors des simulations. De même qu'il pourrait êtreintégré àl'étape "Faisabilité" un partenariat renforcé avecles sous-traitants de fonderie qui pourraient apporter leur expertise sur les potentielles zones faibles de la pièce. Cela nous permettrait de diminuer le temps d'étude d'un nouveau produit et par conséquent d'être présent plustôt surle marché.

Noredine CHEIKH 25 Mémoire CNAM

1

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Optimisation du rendement hydromécanique: Pourquoi?

Parce que la consommation d'énergie devient préoccupante dans les systèmes pour les clients. Dans la revue technique Fluides et Transmissions, quelle place pour le rendement? N° 111 – Avril 2008 (annexe 9),il est dit:

«La question du rendement des matériels n'est jamais bien loin dans les préoccupations de clients. Surtout si onl'englobe dansla problématique pluslarge dela baisse des consommations énergétiques et du coût global defonctionnement des systèmes ».

Comment?

Tout d'abord en identifiant toutes les sources de fuites et de pertes de couple. Nous déterminerons ensuiteleslimites del'étude. Parallèlement àl'étude du moteur, nous mettrons en oeuvreles améliorations possibles. Nous nous appuierons surles études déjà menées surle sujet au sein del'entreprise et surlestravaux publiés dansles revues scientifiques.

Noredine CHEIKH 26 Mémoire CNAM

2

.

Décompos

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ion

des

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et

pertes

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coup

le

2

.1 Con

tac

t

ro

tor

/p

laque

Le rotor est en rotation alors quela plaque et le chapeau sont fixes. Le contact est de type visqueux, par l'intermédiaire d'unjeu maîtrisé entre la came et le rotor. Ce jeu h se partage de manière égale de chaque côté du rotor (h/2) grâce àl'équilibrage hydraulique. Cejeu génère une fuite qui a pour rôle de créer un filmlubrifiant prévenant detoutrisque de grippage des faces durotor.

Came

Plaque Rotor Chapeau

h/2

Noredine CHEIKH 27 Mémoire CNAM

2

.2

Con

tac

t

pa

le

t

te

/ro

tor

La palette est en contact avec le rotor dans sa rainure. Elle a un mouvement de translation parl'intermédiaire du profil dela came et de ses forcesinduites. Le contact est detype visqueux et génère une perte de couple. Celui-ci est maîtrisé par l'intermédiaire du jeu entrela largeur de palette etlalargeur de rainure de rotor.

F

ro

t

temen

t

v

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pa

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t

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Figure 13 :frottement visqueux de palette dansle rotor

2

.3

.

Con

tac

t

pa

le

t

te

/came

La palette suitle profil dela came. Il existe un contact visqueux grâce au rayon réalisé au bout dela palette. Cette fuite est lubrifiante et permet de prévenir tout risque de grippage du profil dela came.

Rayon

de

pa

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t

te

G

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t

de

press

ion

Came

Noredine CHEIKH 28 Mémoire CNAM

2

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.

Con

tac

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p

laques

Les palettes sont en rotation alors quela plaque etle chapeau sont fixes. Le contact est de type visqueux, parl'intermédiaire d'unjeu maîtrisé entreles palettes etle rotor.

Jeu palette/plaque

Frottement palette/plaques

Figure 15 :frottement entrela palette etles plaques

2

.5

.

Per

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de

charge

dans

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condu

i

ts

dans

chapeau

Comme précisé précédemment, le fluide (huile hydraulique) est acheminé et refoulé parl'intermédiaire dela pièce appelé chapeau (voir fig. 8). Cela occasionne des pertes de charges qui diminuent le rendement hydromécanique. Il est à préciser que ces pertes n’ont pas d’influence sur le couple transmis au récepteur, néanmoins il sera nécessaire de les prendre en compte puisque cela aura uneinfluence surles fuites.

Noredine CHEIKH 29 Mémoire CNAM

2

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.

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Les pièces ci-dessous génèrent un couple résiduel dontil faudratenir compte. • Roulement à billes

• Roulement à aiguilles • Frottement dujoint d'arbre

frottement roulement à aiguilles frottementjoint d'arbre frottement billes

Noredine CHEIKH 30 Mémoire CNAM

2

.7

.

No

t

ion

de

rendemen

ts

Définitions:

Débitthéorique: c’estle débit en sortie du moteur hydraulique: Qthéo = cyl * N/ 1000 [litre/minute] cyl = volume de fluide déplacé partour en cm3/tour (cylindrée)

N = vitesse de rotation entours par minute

Débit mesuré: c’estle débit réel mesuré en sortie du moteur.

La différence entreles débitsthéoriques et ceux mesurés estle débit de fuite. Il correspond àla somme detoutes fuites de fluide par unité detemps.

Couplethéorique: c'estle couple développé parle moteur à une pression donnée:

π

20 p cyl

Cthéo= × [N.m]

p = pression (bar)

• Rendement volumétrique : c’est le rapport entre le débit théorique et le débit mesuré en %. Celui-ci est donné par: réel théo vol _Q Q = η Rendement volumétrique @ xxxx RPM 60.00 65.00 70.00 75.00 80.00 85.00 90.00 95.00 100.00 0 40 80 120 160 200 240 280 320 P [bar] % V = 500_{V = 1000} V = 1500 V = 2000 V = 2500 V = 3000

Noredine CHEIKH 31 Mémoire CNAM • Rendement mécanique : c’est le rapport entre le couple réel et le couple théorique en %.

Celui-ci est donné par: théo réel mec _C C = η Rendment mécanique @ xxxx RPM 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00 100.00 0 40 80 120 160 200 240 280 320 P [bar] % V = 500 V = 1000 V = 1500 V = 2000 V = 2500 V = 3000

Figure 18 : rendement mécanique du moteur M5AS 025

• Rendement global : c’est la multiplication entre le rendement volumétrique et le rendement mécanique. C’est le critère principal qui permet d’évaluer la performance d’un moteur puisqu'il sert à déterminerla consommation énergétique.

Rendement global @ xxxx RPM 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00 100.00 0 40 80 120 160 200 240 280 320 P [bar] % V = 500 V = 1000 V = 1500 V = 2000 V = 2500 V = 3000

Noredine CHEIKH 32 Mémoire CNAM

2

.8

.

Conc

lus

ion

de

la

deux

ième

par

t

ie

Nous avonsici fait uninventaire de ce qu'étaientles pertes de couple etles fuites dans un moteur hydraulique à palettes. Nous avons exposé les critères d'appréciation de la performance d'un moteur. Il nous faut maintenant formuler notre problème pour quantifier ces pertes puis effectuerles essais comparatifs. Enfin, nous proposerons des solutions dansle but de limiter ces pertes.

Noredine CHEIKH 33 Mémoire CNAM

3

.

Formu

lat

ion

du

prob

lème

3

.1

Res

tr

ic

t

ions

de

l

'é

tude

Pour ce mémoire, nous nous limiterons au contact palette/came et par voie de conséquence au contact palette/rotor. Les autres fuites et pertes de couples seront déterminées par l'intermédiaire d'essais.

En effet,les phénomènes associés au contact "palettes/ came" sont les plusinfluents sur le rendement. A partir des résultats des calculs, des solutions techniques seront mises en oeuvres au sein del'entreprise.

Pour effectuer une estimation correcte des pertes liées au contact de la palette, nous devonstout d'abord faire une estimation des forces qui s'exercent sur celle-ci.

3

.2

B

i

lan

des

forces

exercées

su

r

une

pa

le

t

te

:

• Force centrifuge définie par:

Gi i m r

Fc= ⋅ω²⋅ (1)

avecm = masse dela palette(kg);ω= vitesse de rotation (rad/s);rGi = rayon au centre de gravité

dela palette àl'anglei (m) • Force d'inertie: ² ² ² θ ω d r d m Fi Gi i=−⋅ ⋅ (2) Avec: ² ² ² θ ω d r dGi

× = accélération angulaire (m/rad²) pour chaque anglei(voir développement limité en annexe 2). La variation du rayon est due au profil dela came.

Noredine CHEIKH 34 Mémoire CNAM Figure 20 : centre de gravité dela palette

• Force desressorts:

) (

2k L r a b Fri= ⋅ l−i− − (3)

aveck = raideur du ressort(N/mm) (caractéristiques ressort annexe 3);Ll=longueurlibre du

ressort(mm);r_i= rayon dela came àl'anglei(mm);a = cote dulogement deressort dansla palette(mm);b= cote dulogement de ressort dans rotor(mm)

Remarque: ce serala seule forceindépendante dela vitesse.

Figure 21 : Empilage de cotes pourla compression du ressort

Gi

Noredine CHEIKH 35 Mémoire CNAM • Forces de pression: on feral'hypothèseici queles forces de pression sont parfaitement égales en haut et en bas dela palette, ce qui a pour conséquence que celles-ci s'annulent entre elles. En réalité, cela n'est pasle cas puisquela chambre (volume compris entre deux palettes) etle bulbe du rotor n'ont pasles mêmes vitesses de décompression.

Figure 22 :forces de pression surla palette • Forces de frottement entrela palette etle rotor:

e v S F fi spi i pr ⋅ ⋅ − =2µ . (4)

avec:

µ

ZS 32 – caractéristique en annexe 3)µ=0,02266 Pl;

. fi

S = Surface de frottement entrela palette etle rotor (m²) pour chaque anglei(voir figure 24); i

sp

v = Vitesse de sortie de palette(m/s);e = épaisseur du film d'huile (m), (voir figure 23).

2 _{On supposelatempérature constante pendantl’essai soit 45 °C.}

Chambre Bulbe

Noredine CHEIKH 36 Mémoire CNAM Figure 23 : déplacement d'une palette dans sa rainure de rotor

Figure 24 : surface defrottementSfi.

• La forcetotaleliée au déplacement dela palette donne donc:

pr i c r p F F F F F = + + + ₍₅₎

Noredine CHEIKH 37 Mémoire CNAM

Fp

Figure 25 : Forcetotale d'une paletteFp

3

.3

.

Express

ion

de

la

fu

i

te

e

t

de

la

per

te

de

coup

le

3.3.1. Fuites non prises en compte

Les fuites détaillées ci-dessous ne seront pas prises en compte dans le modèle de calcul puisque dansles études précédentes au sein de Parker,la fuite au-dessus dela palette a été considérée commela plusimportante.

• Fuite parles jeux :les fuites par lesjeux permettent le graissage, l’expression générale de ce type de fuite est donnée par:

p l e h q= ⋅ 3⋅∆ 12πµ

(h étant le jeu, e et l étant respectivement la largeur et la longueur de la fuite). Elles se définissent entrois catégories:

o Les fuites des bulbes versle centre durotor(q1) o Les fuites de palettes vers une chambre (q2)

Noredine CHEIKH 38 Mémoire CNAM

q3 q2

q1

Figure 26 :fuites parlesjeux

• Fuite entre les bulbes du rotor et la palette :la palette est conçue avec deux conduits la traversant de part en part dans le sens de la hauteur de manière à assuré son équilibre et à limiterl’overshoot (effet dela compression mécanique del’huilelié à une pression supérieure à la pression d’entrée). Ceci occasionne des fuites entre le bulbe et la chambre puisque les pressions sont différentes. Il est utilisé le modèle d’écoulement à travers un orifice en paroi mince:q=10⋅s⋅ ∆p(avec s section de passage et p∆ différence de pression entrele bulbe et la chambre).

Figure 27 :fuite du bulbe versle haut dela palette

• Fuite par les rainures de décompression :les rainures de décompression (queues de loche) permettent une transition progressive entre la haute pression et la basse pression. Elles permettent également de limiter les effets de l’overshoot. Le modèle utilisé pour la

Noredine CHEIKH 39 Mémoire CNAM détermination de cette fuite est celui d’une canalisation de diamètre hydraulique d dont la largeur est petite devantlalongueur. L’écoulement est supposélaminaire. Dans ce cas,le débit est donné parla formule de Poiseuille:

p l d q= ⋅1 4⋅∆

104π µ (6)

La section de la rainure de décompression étant triangulaire (voir annexe 10), il est nécessaire de déterminer au préalable son diamètre hydrauliqued.

χ

S

d 4= avecS = aire de passage dutube (mm²) etχ =périmètre mouillé dutube (mm)

Figure 28 :fuite parles rainures de décompression 3.3.2 Fuite au-dessus dela palette

Cette fuite est due au film d’huile existant entrela palette etla came qui prévienttout risque de grippage du profil. Avant de calculerla fuite,il nous faut connaîtrela hauteur de film. Il existe 2théories pourle coin d'huile qui nous donnela hauteur de film:

• Formulation du cointhermique de Higginson: (issue du rapport de conférences surles phénomènestribologiques du Cetim)

13 . 0 7 . 0 6 . 0 2 ) . ( 97 , 0 _       _⋅⋅ ⋅       ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = p F L R E R E v E R h α µ (7)

Noredine CHEIKH 40 Mémoire CNAM avec: R =rayon équivalent (mm) qui est défini par:

came palette R R R 1 1 1_{= +} R palette R came

Figure 29 : rayon équivalent

α= coefficient de Poisson; E = module de Young (Pa);v = vitesse de glissement (m/s); L =largeur de came (mm);Fp = Force de contact (N)

• Formulation du cointhermique (Faisandier):

4 3 6 , 5 10 p c l v h g ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ × = ρ µ

avecρ= masse volumique del’huile (kg/m3_{); c= chaleur spécifique (J/kg/°);p= pression de}

Noredine CHEIKH 41 Mémoire CNAM

h

Figure 30 : hauteur defuite au-dessus dela palette

Dans une étude précédente menée par N. COHADE (Comportement et évolution des pertes hydromécaniques dansles pompes à palettes, BE Parker, 2001) au sein du bureau d’études, une comparaison entre les deux approches a été effectuée. La conclusion est que la formule de Higginson est préférable parce queles valeurs obtenues sont plusimportantes. Tandis que pourla formule de Faisandier,les valeurs de hsonttellementfaibles qu'elles fontfaussement conclure à un risque de grippage qui n'est pas confirmé parles essais. De plus,la formule de Faisandier ne prend en compte niles rayons de courbure niles caractéristiques mécaniques des matériaux. Connaissant h nous pouvons déterminer la fuite au dessus de la palette. Deux solutions sont possibles:

(1) on applique la formule de Poiseuille (6) aux sections rectangulaires (voir annexe 10). Ceci revient à assimilerl’espace au dessus dela palette à un conduit rectangulaireinfini. Dans ce cas, en utilisant les formules de pertes de charge adéquates, le débit est relié à la perte de charge linéique dansle conduit par:

l p d qf=₁₉₂π _µ∆ 4 (6)

(2) on considère l’espace au dessus de la palette comme un patin de butée Michell (Comolet tome III page 145):

Noredine CHEIKH 42 Mémoire CNAM l p h vh qf=₂−_12µ∆ 3 (8) avecqf: débit de fuite au-dessus dela palette (mm3/s).

Volume de fuite au-dessus d'une palette suivantles 2 approches à 3000 Tr/min

0 5E-13 1E-12 1.5E-12 2E-12 2.5E-12 3E-12 3.5E-12 0 9. 7 19 .4 29 .1 38 .8 48 .5 58 .2 67 .9 77 .6 87 .3 97 ₁₀7 ₁₁6 ₁₂6 ₁₃6 ₁₄6 ₁₅5 ₁₆5 ₁₇5 ₁₈4 ₁₉4 ₂₀4 ₂₁3 ₂₂3 ₂₃3 ₂₄2 ₂₅2 ₂₆2 ₂₇2 ₂₈1 ₂₉1 ₃₀1 ₃₁0 ₃₂0 ₃₃0 ₃₃9 ₃₄9 ₃₅9 angle (deg) vo lu me d e f uit e ( L) ap pr oc he ( 1) 0 5E-15 1E-14 1.5E-14 2E-14 2.5E-14 3E-14 3.5E-14 vo lu me d e f uit e ( L) ap pr oc he ( 2) approche (1) approche (2)

Figure 31 :comparaison des deux approches à 3000tr/min

Sil’on compareles deux approches en figure 31, on s’aperçoit queles valeurs del’approche (1) sont à l’échelle de 10-12_{Litres et celles de l’approche (2) sont à l’échelle 10}-14_{Litres. De plus,}

dansl’approche (2), nous avonstoujours des valeurs de fuite même quandla perte de charge est nulle. Ceci est du au premier terme qui est lié uniquement àla vitesse. Les volumes de fuite de l'approche (1) étant plus proches de la réalité, c'est donc celle-ci que nous retiendrons pour le code de calcul.

Le modèle utilisé pour la détermination du débit de passage sera donc celui d'une canalisation dont lalargeur est plus petit devant lalongueur, en écoulement laminaire. En effet, en considérant unelargeur de came de 20 mm et une hauteur de film del'ordre de 0,05 mm, on obtient un nombre de Reynolds del'ordre de 14 dansle casle plus défavorable oula p∆ est de l'ordre de 240 bar. Au préalable, un diamètre hydraulique équivalent àla section rectangulaire de passage est déterminé.

Noredine CHEIKH 43 Mémoire CNAM Ensuitele débit de fuitetotale pourles 12 palettes àla vitesse n (tr/min) sera donné par:

(

_∑

)

avec q = débit de fuitetotal (l/min);n = vitesse de rotation (tr/min);qdpi= débit de fuite au-dessus

d'une palette (l/min) à un angle i.

La perte de couple est due au moment des forces de frottement et est donnée par:

i i i F R

Tµ = µ . avecFµ =µ⋅v⋅_hec

µ

T = couple de frottement au dessus dela palette (N.m); v= vitesse de glissement (m/s);

h = hauteur de film (m);e=c largeur de contact (m) _{L E}

F R ec i_×pi × × =3 avec:R =i rayon

équivalent (m) pour chaque angle i;Fpi = Force dela palette(N) pour chaque anglei;L =

largeur de came (m); E = module d’Young (MPa)

Ensuitele coupletotale de frottement au-dessus dela palette pourles 12 palettes sera donné par:

(

)

∑

Fµ = force de frottement dela palette àl'anglei(N)

3

.4

Créa

t

ion

du

code

de

ca

lcu

l

e

t

présen

ta

t

ion

des

résu

l

ta

ts

.

Un ensemble de fichiers de points correspondant au profil d'une came de moteur M5A 025 (cylindrée de 25cc/tr) a été obtenu. Pour chaque incrément d’angle de 0,1°, nous aurons le rayon de profil de came correspondant.

Nous calculerons donc les fuites et les pertes de couple à l'aide des formules discrétisées par l'intermédiaire d'un développement de Taylor. Ceci permettra d'obtenir la

Noredine CHEIKH 44 Mémoire CNAM résultanteFpi des forces s'exerçant sur la palette. ConnaissantFpi, nous déduirons d'abord la

hauteur de film h au-dessus de la palette, puis le débit de fuite q. Enfin, la perte de coupleTµ

sera calculée.

Les fuites ont une nature cyclique, mais elles changenttout aulong du périmètre dela trajectoire carl’écart palette - came change (voirle diagramme polaire figure 32) etla vitesse de la palette change aussi (puisque le rayon change). Nous choisissons pour cette raison, de les représenter en unité de volume de fuite pour une variation de 0,1 degré de l’angle polaire α. A partir d’un débit de fuite q,le volume de fuite considéré s’écrit:

∫

Où:t es_α tl’instant correspondant àla position polaireα dela palette.

Nous compareronsles valeurs de couple calculées à cellestrouvéeslors des essais. Il est à prendre en compte que les palettes ont deux lèvres, ce qui signifie qu'il y aura un changement delèvre dont il faudratenir compte danslatrajectoire. Nous nous affranchirons de ce problème en définissant une trajectoire du centre de la palette (appelée « trajectoire centre palette »).

Latrajectoire «trajectoire centre palette » est représentée en bleu foncé dansla figure 32 ci-dessous ; la trajectoire de la lèvre en contact avec la surface de la came (le « profil de came ») esttracée en bleu clair.

Dansla figure 34les mêmestrajectoires sont représentées en coordonnées polaires.

31 31.5 32 32.5 33 33.5 34 34.5 0 60 120 180 240 300 360 angle (degrés) ra yo n ( m m) Trajectoire centre de palette Trajectoire palette

Noredine CHEIKH 45 Mémoire CNAM Figure 32 : Développé du profil de came de M5AS (cylindrée de 25 cc/tr)

Delta p -6 -4 -2 0 2 4 6 0 60 120 180 240 300 360 angle (deg) De l t a p ( ba r) Delta p

Haute pression basse pression

A

B

S

p

p

p

p

Noredine CHEIKH 46 Mémoire CNAM -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 X (mm) Y (mm) Trajectoire

Trajectoire Centre Palette

Figure 34 : Profil de came M5AS (cylindrée de 25 cc/tr)

3

.5

Es

t

ima

t

ion

de

la

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l

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te

e

t

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fu

i

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10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 0 60 120 180 240 300 360 Angle (rad.) F ( N) 500_{1000 RPM} RPM 1500 RPM α

Noredine CHEIKH 47 Mémoire CNAM

Force d'une palette

10 15 20 25 30 35 40 0 60 120 180 240 300 360 Angle (rad.) F ( N) 2000 RPM 3000 RPM

Figure 35 : RésultanteFpid'une palette pendant untour à différentes vitesses

0 1E-10 2E-10 3E-10 4E-10 5E-10 6E-10 7E-10 0 50 100 150 200 250 300 350 Angle (degrés) Fu it e ( L) 500 Tr/min 1000 Tr/min 1500 Tr/min

Noredine CHEIKH 48 Mémoire CNAM 0 5E-13 1E-12 1.5E-12 2E-12 2.5E-12 3E-12 3.5E-12 4E-12 4.5E-12 5E-12 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 Angle (degrés) L ( 30 00 T r/ mi n) 0 2E-11 4E-11 6E-11 8E-11 1E-10 1.2E-10 1.4E-10 1.6E-10 1.8E-10 2E-10 L ( 20 00 T r/ mi n) 3000 Tr/min 2000 Tr/min

Figure 36 : Fuite Vf enlitre d'une palettelorsque celle-ci effectue untour complet à différentes

vitesses (variant entre 500 et 3000tr/min)

Les tracés, figure 35, de la force résultante Fp somme de F,c F,i F,r Fpr, traduisent les

formules (1) à (5). Dans ces formules on remarque que pour une vitesse de rotationN (tr/min) donnée, seul le rayon R(α)intervient et que la hauteur de film fluide h n’intervient pas (en conséquence,la perte de charge n’intervient pas non plus). Le rayon )R(α caractérisele profil de la came, c’est une donnée géométrique (figure 34). Comme )R(α présente une double périodicité (figure 32),il en est de même dela résultanteFp, pourtoute valeur deN (figure 35).

Lestracés, figure 36,traduisentles volumes de fuitetels que nousles avons définis plus haut. On remarque une périodicité avec 4 pics de hauteur variable. Ces pics traduisent l’existence de 4 zones de pression sur le périmètre de la came (figure 33 en développée et en polaire). Il y a 2 zones de haute pression (identiques) et 2 zones de basse pression identique (voir la figure 33 représentant la cartouche). Les hauteurs des pics ne sont pas identiques. En effet, bien que la différence de pression p∆ soit périodique, les extréma se produisent pour des rayons R soit minimal, soit maximal. Pour préciser : Une valeur +∆p_max se produit à r=R_min, et une valeur

1

Noredine CHEIKH 49 Mémoire CNAM

max

p ∆

− se produit à r=Rmax. Or, si r=Rmin, l’épaisseur de film fluide est minimale ; et si max

R

r= , l’épaisseur de film fluide est maximale. On déduit, àl’aide du code de calcul, queles pics sontles plus bas aux angles polaires correspondant àl’épaisseur de fluide est minimal.

3

.6

Paramè

tres

inf

luen

ts

• Dimension : au sein de Parker, nous avons établi des normes qui permettent la maîtrise des jeux entre les pièces de la cartouche, ce qui permet d’assurer un bon fonctionnement pour celle-ci. Cela pourra expliquer les différences entre les résultats calculés et les résultats mesurés, puisque pourle calcul nous avons faitl’hypothèse de pièces de dimension moyenne.

o Jeu CR :c’estlejeu entrela came etle rotor (le rotor étantla piècela moins épaisse), celui-ci permet d’assurerlalubrification entrela partie tournante et les deux parties fixes de chaque côté du rotor (plaque et chapeau). La variation de celui-ci peut avoir uneinfluence surla fuite etla perte de couple.

o Jeu RV :c’estlejeu entrela palette etla rainure de rotor. Celui-ci a uneinfluence directe dansla capacité dela palette à sortir de sa rainure.

• Géométrie :lestolérances géométriques des pièces sont une composantetrèsimportante du bon fonctionnement du moteur hydraulique. Les plus influentes étant le parallélisme et la planéité des faces de distribution de la plaque et du chapeau, le parallélisme des faces du rotor et des faces dela came.

• Viscosité : il est clair que la viscosité a une influence importante sur les fuites et par conséquent sur les frottements visqueux entraînant des pertes de charges et des pertes de couple. Nous avons fait ici l’hypothèse d’une température constante de 45°C et d’une viscosité constante de 0,02266 Pl. Le frottement visqueuxlié aux fuites crée un échauffement local qui pourrait être quantifié. Cependant nous avons fait l’hypothèse d’un moteur travaillant sans pression (si ce n’est celles liées aux pertes de charge), ce qui a pour conséquence de réduire ces échauffements à une quantitéinfinitésimale et sansinfluences sur lesfuites.

• Pression :la fuite évolue en mêmetemps quela pression, celle-ci estthéoriquementlinéaire, mais est en réalité croissante du fait dela déformation des pièces quilaissent un passage plus

Noredine CHEIKH 50 Mémoire CNAM important. Pour notre étude, nous nous contenterons d’un moteur travaillant à vide, c'es t-à-dire sans pression. Ce qui aura pour conséquence de considérer les pièces comme indéformables dans notre calcul.

• Compressibilité : la compressibilité de l’huile est liée à l’aération de celle-ci. Cette compressibilité décroît lorsque le pourcentage d’air dissous dans l’huile augmente. Le pourcentage d’air communément admis pour nos applications est del’ordre de 6%.

L’expression du coefficient de compressibilité K (Mpa) est donné par:

K= dV_dP

V 1 −

avecdV = variation de volume;V = volume (mm3_{); dP =pression (Mpa)}

Le coefficient de compressibilité K est de 9000 bar (900 Mpa) pourl’huile Azolla ZS32 utilisée pour nos essais.

Pour notre problème, nous avons faitl'hypothèse d'une compressibilité constante (voir courbe perte de charge en annexe 5)

3

.7

Conc

lus

ion

de

la

tro

is

ième

par

t

ie

Nous avons fait tout d’abord l’inventaire de l’ensemble des pertes de couples par frottement visqueux, ainsi que des fuites présentes dans un moteur hydraulique à palettes. Puis nous nous sommes concentrés uniquementle contact palette/came. Nous avons pu quantifier par l’intermédiaire d’un code de calcul quelles étaient les fuites et les pertes de couple. Nous allons donc pouvoir nous intéresser ensuite aux points d’amélioration possibles qui permettraient de limiter ces pertes de couple.

Une étude de l'écoulement à l'aide d'un code de CFD sera effectuée. Le logiciel CFX acquis par l'entreprise sera utilisé. Cette application bénéficiera des avancées réalisées lors du présenttravail réalisé pourle mémoire d'ingénieur CNAM.

Noredine CHEIKH 51 Mémoire CNAM

4

.

M

ise

en

œuvre

des

essa

is

4

.1

.

Mé

thode

e

t

moyens

d’essa

i

Il apparaît impossible avec les moyens du Laboratoire Parker que nous puissions mesurer séparémentles fuites au-dessus dela palette des autres fuites du moteur. Par conséquent, notre critère de mesure sera le couple. L'objectif est de vérifier suivant plusieurs vitesses, les pertes de couple (différence entrele couplethéorique etle couple réel) au-dessus dela palette.Il nous faut donc trouver un artifice pour décompter les pertes de couple liées aux autres pièces. Nous proposons doncla méthode suivante:

Le moteur detest M est entraîné parle moteur électrique E1 à des vitesses de rotation comprises entre 500 et 3000 tr/min. Ce moteur est gavé d'huile par la pompe P à un débit constant de 20 L/min. La pompe est entraînée par le moteur E2. L'huile sera de marque TOTAL AZOLLA ZS32 (annexe 6) et sera régulée entempérature à 45°C (ν= 26 cSt). Nous mesurerons ici le couple au moyen du couplemètre Honeywell, modèle 1805-5K (annexe 7). Dans le but d'avoir le débit constant de 20 L/min, nous placerons un débitmètre ainsi qu'une valve de régulation.

Remarque: le moteur ne sera pas utilisé dans sa fonction normale puisqu'il sera gavé par une pompe et qu'il sera entraîné par un moteur électrique comme une pompe.

Noredine CHEIKH 52 Mémoire CNAM Couple mètre

P

E2

M

E1

Noredine CHEIKH 53 Mémoire CNAM Figure 38 : Banc d'essai du moteur

Pompe alimentantle moteur hydraulique

Débitmètre

Moteur électrique freinantle moteur hydraulique Couplemètre

Noredine CHEIKH 54 Mémoire CNAM

4

.2

.

Mesu

re

des

p

ièces

Il a été demandé au service contrôle de la société Parker de mesurer les différentes pièces composantles différentes cartouches utilisées dansles essais. Il nous faut sélectionner des pièces à des dimensions quasiidentiques afin ne pastrop s’éloigner des hypothèses de calcul.

Cames de rugosités différentes Came 15A Came 10A Came 5A Came 1A 0.39 0.35 0.32 0.3 20.006 20.0045 20.006 20.0045 0.029 0.0275 0.029 0.0275

Cames de profil cylindrique rugosité Maxi Came 1R Came 2R Came 3R Came 4R Came 5R 35.10 34.40 33.30 33.00 32.20 0.55 0.58 0.62 0.57 0.57 20.0055 20.0065 20.007 20.0055 20.007

0.0285 0.0295 0.03 0.0285 0.03 Cames de profil cylindrique rugosité mini Came 1 Came 2 Came 3 Came 4 Came 5

35.20 34.40 33.50 33.00 32.20 0.22 0.25 0.20 0.20 0.20 20.0055 20.0045 20.005 20.0065 20.002

0.0285 0.0275 0.028 0.0295 0.025

Epaisseur longueur Epaisseur longueur Epaisseur longueur 3.996 19.988 4.000 19.983 3.995 19.984 3.997 19.987 3.998 19.992 3.999 19.981 3.997 19.988 3.999 19.989 3.999 19.987 3.997 19.988 3.997 19.989 3.998 19.988 3.998 19.986 3.999 19.991 3.996 19.987 3.992 19.984 3.996 19.990 3.995 19.982 3.996 19.985 3.997 19.992 3.996 19.986 3.996 19.984 3.999 19.992 3.998 19.990 3.998 19.987 3.998 19.990 4.000 19.987 3.997 19.988 3.997 19.988 3.998 19.988 Jeu RV moyen 0.0301 Jeu RV moyen 0.0285 Jeu RV moyen 0.0291 Palettes STD Palettes Lustrées Palettes rayon R=0,04 Rugosité Epaisseur Rugosité Epaisseur Jeu CR Rugosité Epaisseur Rayon Jeu CR Jeu CR Rayon

Noredine CHEIKH 55 Mémoire CNAM

4

.3

.

E

ta

lonnage

du

coup

lemè

tre

Afin de s'assurer de la précision des mesures, nous effectuerons un étalonnage du couplemètre. Avec des poids que l'on place au bout d'une barre en acier accouplée au couplemètre. Nous avons un couple connu et on vérifie que celui-ci correspond bien à celuilu sur le couplemètre.

Etalonnage du couplemètre

y = 9.7695x - 0.6723 y = 9.8018x + 0.0475 0 10 20 30 40 50 60 0 1 2 3 4 5 6 poids en kg ch ar ge e n N m Vraie afficheur Linéaire (afficheur) Linéaire (Vraie)

Figure 39 : Etalonnage du couplemètre

4

.4

.

Mesu

re

de

coup

les

sans

pa

le

t

tes

4.4.1. Mesure des autres pertes de couple

Comme nous l'avons dit précédemment, nous devons faire une approximation des "autres pertes de couple" (chapitre 2.6) par frottement qui ne concernent pas notre étude. Pour cela, nous devons faire un relevé de couple d'un moteur sansla partietournante dela cartouche (rotor et palettes). Nous supprimerons doncle rotor etles palettes dela cartouche du moteur que nous accouplerons au couplemètre. L’ensemble sera entraîné par le moteur électrique à vitesse variable. Pour que l’essai soit viable, il faut que le moteur soit rempli d’huile en permanence à

Noredine CHEIKH 56 Mémoire CNAM unetempérature constante de 45°C. Cela sera réalisé parl’intermédiaire d’une pompe qui gavera le moteur à un débit constant de 20 L/min d’une huile maintenu à température par l’intermédiaire durefroidisseur.

Figure 40 : vue en coupe du moteur sans rotor et sans palettes

Autres pertes de couple (N.m)

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 500 1000 1500 2000 2500 3000 N (RPM) co up le ( N. m)

Noredine CHEIKH 57 Mémoire CNAM 4.4.2. Mesure de pertes de couple du rotor surles plaques

Nous reprendronsle moteur del’étape précédente auquel nous ajouterons un rotor en adoptantle même mode opératoire que précédemment.

Perte de couple rotor/plaques

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 500 1000 1500 2000 2500 3000 n(RPM) C ( N. m)

Noredine CHEIKH 58 Mémoire CNAM

4

.5

Mesu

re

des

coup

les

avec

pa

le

t

tes

Nous avons prélevé 4 cames d'un cycle de production de 30 cames (1A, 5A 10A, 15A dansletableau 1), ceci afin de voirl'évolution dela qualité de surface suivantl'usure dela meule (la meule étant diamantée à chaque début de cycle). Nous utiliseronsiciles mêmes palettes etle même rotor pour les 4 essais. Nous verrons ainsi si, les rugosités qui sont réalisées à l'heure actuelle dansl'atelier ont uneinfluence surles pertes de couple.

perte de couple par frottement palettes/cames

0 0.5 1 1.5 2 2.5 500 1000 1500 2000 2500 3000 n (RPM) C ( N. m ) Came 15A Came 10A Came 5A Came 1A

perte de c ouple calculée

Figure 43 : perte de couple par frottement palettes/cames

4

.6

M

ise

en

œuv

re

des

so

lu

t

ions

env

isageab

les

Pour diminuer la perte de couple et la fuite, il nous faut diminuer la hauteur hqui correspond au film d'huile entrela palette etle profil de came. Pour cela,il fauttrouver un moyen de restreindre l'une des forces de la palette quitend accroître les pertes de couple et les fuites. Nous exploreronstrois pistes:

• Lalimitation dela force de frottement entrela palette etla came entestant différentes rugosités de profil de came.

• Lalimitation dela force de frottement entrela palette etle rotor (Fpr) en

testant différentes rugosités de palette.

Noredine CHEIKH 59 Mémoire CNAM 4.6.1. Rugosité du profil de came:

Nous avons vu dansle chapitre 4.5 queles pertes de couples n'étaient pasinfluencées par les rugosités réalisées au niveau de l'atelier. Cependant, dans les travaux effectués par Y. Inaguma et A. Hibi (annexe 8), il est démontré que l'amélioration de la rugosité du profil de la came a uneinfluence directe sur la perte de couple etla fuite au-dessus dela palette. Pour cela, nous avons fait réaliser des cames expérimentales avec des rayons constants (cames 1, 2, 3, 4, 5, 1R, 2R, 3R, 4R, 5R dansletableau 1) ententant d'améliorerla rugosité Ra (0,20 microns visés) à comparer avec les mêmes cames aux rugosités maximales (0,60 microns visés). Cela nous permettra également d'avoirles pertes de couple en fonction su rayon.

Pertes de couple en fonction du rayon

0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 32 32.5 33 33.5 34 34.5 35 35.5 R(mm) C ( N. m) C à 1000 RPM(cames Ra mini) C à 1000 RPM(cames Ra max)

Noredine CHEIKH 60 Mémoire CNAM 4.6.2. Qualité de surface des palettes (diminution deFpr)

En améliorant la qualité de surface dela palette, on espère diminuer au maximumle frottement visqueux. Même si la rugosité ne rentre pas en compte dans le calcul du frottement visqueux de la palette dans l'encoche du rotor, il a été démontré expérimentalement que la diminution du nombre de pics de la palette donnait de bien meilleurs résultats en termes de couple et de débit. Celui-ci est noté (Pc 40) correspond au nombre de pics d'une hauteur de 40 µinchsur unelongueur d'un pouce. Il est en moyenne de 40 surles palettes et peut être abaisser à

une valeur quasi nulle grâce au lustrage. Ceci est différent du Ra qui est une moyenne arithmétique et qui ne nous donne aucuneindication surles hauteurs maximums de pic.

4.6.3. Diminution du rayon de palette (diminution de h)

La diminution du rayon de la palette aura pour conséquence directe de diminuer la hauteur h. Cela entraînerala diminution dela section de passage du débit de fuiteqdp et delimiter

la force de frottement visqueuxF_µ et par conséquentle coupleT_µ. Les valeurs standard du rayon de palette sont comprises entre 0,08 et 0,18 mm. Nous ferons des essais à une valeur de 0,04 mm.

Pertes de couple parfrottement palettes/came(N.m)

0 0, 5 1 1, 5 2 2, 5 500 1000 1500 2000 2500 3000 vitesse (Tr/min) co up le ( N. m) Palettes STD Paletteslustrées Palettes R=0,04 calcul palettes R=0,04

Noredine CHEIKH 61 Mémoire CNAM 4.6.4 Essais en pression

Nous allons effectuerles essais avecles différentstypes de palettes, avec une mise en pression progressive de 0 à 240 b à une vitesse constante de 1000tr/min.

couple mesuré à 1000 Tr/min 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 100,0 0 50 100 150 200 250 p (bar) C ( N. m) palettes std palettes rayons R=0,04 palettes lustrées

rendement mécanique à 1000 tr/min 90,0% 91,0% 92,0% 93,0% 94,0% 95,0% 96,0% 97,0% 98,0% 99,0% 100,0% 0 60 120 180 240 p (bar) rd t mé c ( % ) palettes standards palettes R=0,04 palettes lustrées

Noredine CHEIKH 62 Mémoire CNAM

4

.7

Ana

lyse

des

résu

l

ta

ts

Rugosité du profil de came: nous observonsici que cette solution n’apporte pasl’amélioration attendue. Ceci s’explique parle fait que nous avons que nous avons une rugosité comprise entre 0.20 et 0.62 microns, ce qui reste une gamme de rugosité fine. Contrairement auxtravaux de Y. Inaguma et A. Hibi ou la rugosité est comprise entre 0.18 et 1,40 microns. En revanche, nous avons bien une perte de couple en fonction del'augmentation du rayon de profil de came, ce qui estlogique puisquela force des ressorts qui est prépondérante diminue en fonction du rayon. La proximité des résultats ne nous permet pas de conclure qu'il y a une différence de pertes de couple en fonction des différentes rugosités réalisées au niveau de l'atelier. En revanche, nous constatonsici queles pertes couples données parle code de calcul sont cohérentes.

palettes :nous observons ici que la diminution de rayon de palette apporte une légère amélioration. Ceci était attendu puisque le rayon équivalent prend une place important dans le calcul du rayon de palettes (voir formule Higginson). En revanche, les palettes lustrées n'apportent pas d'amélioration, ceci doit être principalement lié au fait que l'écoulement est laminaire et que par conséquent, cela n'apporte pasl'effet escompter.

De plus, nous observons quelorsque nous montons en pression, une amélioration de rendement se produit. Ceci s’explique parle fait quele phénomène de basculement dela palettelié àla delta p s’accentue en mêmetemps. Celui-ci augmentele frottement entrela palette etle rotor, ainsila diminution du nombre de pics favoriserala sortie de palettes. On observe bien dans la figure 44 que l'écart de couple augmente bien de manière constante, ce qui nous permet d'écrire cette loi empirique:

) (×λ

+

=T p

Tlust std (11) avec Tlust= couple avec des palettes lustrées (N.m); Tstd= couple avec

des palettes std (N.m); p = pression (bar);λ=coefficient de perte de couple (environ 0,01 dans notre cas)