Accessoires de la transmission pneumatique / hydraulique

1

Compresseurs

 Circuit pneumatique

 ALIMENTATION PNEUMATIQUE : La production de l’air comprimé (l’énergie pneumatique) s’effectue par aspiration et compression de l’air extérieur. L’actionneur réalisant cette valeur ajoutée est le compresseur.

Afin d’éviter de faire fonctionner le moteur en continu, un réservoir, calibré en volume en fonction de la consommation de l’installation, y est installé.

Le pressostat est le capteur qui permet d’enclencher ou de déclencher le contacteur moteur en fonction des seuils mini. et maxi. de pression

désirés. La distribution est réalisée par des canalisations et différents piquages servant de point d’accès à ce réseau pneumatique.

Un groupe de conditionnement y est installé afin de filtrer et de lubrifier cet air comprimé. L’énergie pneumatique peut aussi s’avérer être l’unique source d’alimentation dans certains milieux où l’électricité représenterait un danger, tels que les salles de production de matières explosives.

 ÉTUDE D’UN COMPRESSEUR

Le compresseur permet de comprimer de l’air et le refouler dans un réservoir. (Transformer l’énergie mécanique de rotation en énergie pneumatique). On distingue les compresseurs alternatifs et rotatifs.

 Compresseurs volumétriques alternatifs Fig.1

C’est le type de compresseur le plus répandu. Un moteur entraîne

un système bielle-manivelle (de transformation de . . . .) qui actionne un piston. Il est caractérisé par :

- écoulement discontinu de l’air comprimé (un temps sur deux).

- permettent d'obtenir de fortes pressions (Putilisation  8 bars).

 Compresseurs volumétriques rotatifs Fig.2

Caractéristique : écoulement continu de l'air comprimé.

 Compresseur à palettes : (Débit élevé pression d'utilisation faible) (Putilisation  4 bars) analogue à une pompe à palettes.

 Compresseur à engrenages : (Débit élevé pression d'utilisation très faible) (Putilisation  2 bars) analogue à une pompe à engrenages.

 Aspiration :

Le piston descend; il se crée une dépression dans le cylindre, le clapet 1 s'ouvre et la pression dans le réservoir ferme le clapet 2. L'air pénètre dans le cylindre.

 Compression + Refoulement :

Le piston remonte; le clapet 1 se ferme. L'air enferme dans le cylindre est refoulé vers le réservoir par le clapet 2 qui s'ouvre tant que la pression dans le cylindre est supérieure à celle du réservoir.

 REFROIDISSEMENT

La compression de l'air provoque un échauffement important.

Le refroidissement du corps du compresseur est obtenu par : - Air : Avec des ailettes autour des cylindres. (Cas en général)

- Eau : En établissant un circuit de refroidissement autour des cylindres.

PMH : Point Mort Haut PMB : Point Mort Bas

2

Indique l’orifice d’aspiration et ce lui de refoulement des deux compresseurs ci-contre.

Fig.1

Fig.2

Accessoires de la transmission pneumatique / hydraulique

Conduite d’alimentation, de travail et de retour Conduite de pilotage

Conduite d’évacuation des fuites

Encadrement de plusieurs appareils réunis dans un seul bloc Liaison mécanique

(1) Croisement des conduites (2) Raccordement des conduites

2

Distributeur 3/2 monostable Commande par bouton poussoir, Rappel par

ressort

Distributeur 4/2 bistable

Commande et rappel

électromagnétique

Vérin double effet Vérin simple effet

Vérin

Vérin

Vérin Vérin

Les composants d’un distributeur et symbolisation :

 Nombres de cases ou de boîtes (positions du tiroir mobile) : il représente le nombre de positions commutation possibles, une boîte par position.

 Flèches : à l’intérieur des boîtes, elles indiquent le sens de circulation ou les voies de passage du fluide entre les orifices.

 et : symbolisent des orifices fermés pour la position décrite.

 : indique un orifice obstrué ou fermé d’origine.

 Source de pression représentée par : ou si l’énergie pneumatique ; et par : ou si l’énergie hydraulique.

 Échappement par une canalisation connectable : si l’énergie pneumatique ; et : si l’énergie hydraulique.

 Échappement à l’air ambiant : et accolé à la boîte si l’énergie pneumatique ; et : et accolé à la boîte si l’énergie hydraulique.

Il existe un grand nombre de pilotages possibles, mais les plus courants sont les suivants.

Symboles de pilotages d’un distributeur (Commande à gauche ou rappel à droite) Symbole

général

Manuel Mécanique

Bouton

poussoir Levier Pédale Poussoir Ressort Galet

Par distributeur pilote

Actionné par augmentation de la pression Actionné par diminution de la pression

Hydraulique Pneumatique (seulement pour pneumatiques)

Électrique Combinées

Électromagnitique 1 enroulement

Électromagnitique 2 enroulements

Par moteur électrique

Par électropneumatique Ou

Par électro-hydraulique

ou

Si le distributeur possède un pilotage par ressort, il est monostable.

Si le distributeur possède deux pilotages de même nature, il est bistable.

DISTRIBUTEURS

Exemple de représentation et symbolisation des positions repos et travail (distributeur 3/2)

Principe de symbolisation des distributeurs :

3

Vérin

DISTRIBUTEURS (Suite) APPLICATION : COMMANDE PNEUMATIQUE D’UNE

PRESSE DE SERTISSAGE :

Le coulisseau d'une petite presse à sertir est lié à la tige de piston d'un vérin. Un distributeur commandé au pied pilote le distributeur qui assure le remplissage et le délestage du vérin.

 Les deux états de la presse :

 Dessin simplifié de la commande : presse à l’état 1

4

Tiroir à l’échelle 1 : 2

Fig.b Fig.a

1- Identifiez les différents appareils constituant la commande de la presse pneumatique :

A : . . . ; B : . . . .;

C : . . . ; D : . . . .;

E : . . . ; F : . . . ; G : . . . ; H : . . . ..

2- Coloriez en jaune les canalisations et espaces occupés par le flux à basse pression (2 bars). Pilotage du distributeur E.

3- Coloriez en rouge les canalisations et espaces occupés par le flux à haute pression (6 bars).

4- Coloriez en bleu les canalisations et espaces occupés par le flux mis à la pression atmosphérique.

5- La vitesse du piston dans le sens «Poussée» est-elle identique à la vitesse dans le sens «Retour» ? Si non, laquelle est

la plus rapide ?

6- Sur du papier à dessin, dessinez et découpez le tiroir du distributeur E. Manipulez le tiroir découpé dans le cylindre

dessiné ci-dessus et collez-le ensuite, la presse étant à l'état 2.

Terminez le schéma du ressort.

7- Schéma de la commande - Presse à l'état 1.

Complétez le schéma de l'installation (Fig.a).

8- Schéma de la commande - Presse à l'état 2.

Complétez le schéma de l'installation (Fig.b).

9- Quelle est la fonction du lubrificateur.

10- Quelle est la fonction des filtres aux échappements.

DISTRIBUTEURS (Suite)

5

CÂBLER UN PRÉACTIONNEUR ET UN ACTIONNEUR Pneu/Hyd EX1 : Schéma de câblage

est toujours représenté à l’état repos

Rep Nom Fonction

A . . . . . .

B . . . . . .

C . . . . . .

D . . . . . .

E . . . . . .

E’ . . . . . .

F . . . . . .

G . . . . . .

2- L’élément A est actionné ; que se passe-t-il si le circuit électrique est fermé.

. . .

3- Représenter en rouge l’arrivée de l’air sous pression et en bleu son échappement sur les deux schémas ci-dessous.

1- Donner le nom et la fonction des éléments suivant : A ; B ; C ; D ; E ; E’ ; F et G.

Ex3- Association d’un distributeur . . . et un vérin . . . :

Câblage du vérin au rentré de la tige

Câblage du vérin à la sortie de la tige

Distributeur en position . . . Distributeur en position . . . Ex4- Association d’un distributeur . . . et un vérin . . . :

Câblage du vérin au rentré de la tige

Câblage du vérin à la sortie de la tige

Distributeur en position . . . Distributeur en position . . . Ex5- Association d’un distributeur . . . et un vérin . . . :

Câblage du vérin au rentré de la tige

Câblage du vérin à la sortie de la tige

Distributeur en position . . . Distributeur en position . . .

Ex6- Compléter les 2 schémas suivants en indiquant les positions du distributeur et du vérin.

DISTRIBUTEURS (Suite)

6

Pour la suite utiliser les abréviations suivantes

Ex7- Compléter les tableaux suivants, les étapes étant exécutées les unes après les autres dans

l’ordre.

Ex8- Le circuit pneumatique schématisé ci-contre fait apparaître

des constituants de la chaîne d’énergie ainsi que des

constituants de la chaîne d’information.

1- Identifier les constituants correspondant aux fonctions techniques suivantes :

 Distribuer l’énergie : . . . .

 Convertir l’énergie : . . . .

 Adapter l’énergie : . . . .

2- Déterminer la désignation de ces constituants.

Rep Désignation Rep Désignation

D1 R2

R1 V

3- Reproduire partiellement le circuit en ne recopiant que les

constituants désignés précédemment, en cas de sortie de la tige Surligner en rouge le chemin suivi par l’air sous pression,

et en vert celui de l’air qui s’échappe.

4- Pour obtenir les mêmes valeurs de vitesse aller et retour, sur quels composants peut-on agir ? Préciser comment.

Ex9- On dispose d’un vérin pneumatique double effet de : - Ø de la tige d = 10 ; - Ø du piston D = 100 ; - η = 0,9.

Il est alimenter par une pression de 10 bar et un débit Qv = 6.10⁴ ℓ/min

1- Établir le diagramme SADT du vérin pneumatique.

2- Calculer la puissance d’entrée P_e du vérin pneumatique.

3- Calculer la puissance de sortie Ps du vérin pneumatique.

4- Calculer la force de poussée Fp du vérin pneumatique.

5- Calculer la force de traction Ft du vérin pneumatique.

6- Calculer la vitesse de sortie V1 de la tige du vérin.

7- Calculer la vitesse de rentrée V2 de la tige du vérin.

Ex1- Sur la tige d'un vérin on place une masse de 3000 kg, l'alésage du cylindre du vérin est de 80 mm (Fig.a) 1- Calculer la force pressante exercée sur l’huile ?

2- Calculer la surface pressée ?

3- Calculer la pression en Pa, en bar ? Vérin et ces Efforts

Le diamètre du piston est en rapport direct avec l’effort axial développé par le vérin.

La force mécanique produite par l’énergie pneumatique dans un vérin est liée à la pression par la relation suivante en cas :

- De sortie : L’air comprimé situé dans la chambre arrière applique une force de poussée Fp sur toute la surface (Sp) du piston ; alors : Fp = P.Sp

- D’entrée : L’air comprimé situé dans la chambre avant applique une force d’entrée Fe sur toute la surface (S’ = S_p - S_t) du piston, (avec S_t surface de la tige

du piston) ; alors : Fe = P.S’

Remarque :

 Lorsqu’un vérin est en condition idéale d’utilisation, il développe un effort théorique en sortie ou en entrée de tige en fonction de la pression d’utilisation.

 Les frottements internes au vérin (joint d’étanchéité et bague de guidage) amènent une perte d’énergie et une baisse du rendement ‘’η’’, le vérin dans ce cas développe un effort réel.

réelle théorique

F

  F

réelle théorique frottement

F  F  F

Ex 4- Dans le cas d’un vérin pneumatique avec D = 100 ; d = 30 1- Si la pression d’alimentation est de 6 bars ; calculer les

efforts théoriques exercés en poussant et en tirant.

2- Si les pertes énergitique est de 12%. Calculer l’effort réel exercés en poussant le piston.

Ex 5- Un vérin hydraulique est alimenté par une pression de 24 MPa est développe des efforts théoriques en poussant de 188,4 kN et en tirant de 171,444 kN.

Calculer le diamètre du piston et de la tige.

Débit dans un vérin : Le vérin est assimilé comme une conduite, le débit dans la chambre arrière Q_v.poussée est égale au débit dans la chambre avant Qv.entrée ; c’est-à-dire ; S V^. p  ^’.S Ve

Comparer les vitesses et les sections : Vp Ve ; S S’ Ex3- Le piston d'un vérin a une surface de 40 cm².

Ce vérin reçoit un débit de 24 ℓ/min. Quelle est : 1- La vitesse V de déplacement en sortie de tige.

2- La durée de la course si celle-ci fait 20 cm.

3- La vitesse V’ pour la rentrée de tige, avec un même débit qv ; (S2 = 15 cm²)

Ex2- La pression de travail est de 250 bar. (Fig.b) 1- Quelle est la force pressante F ?

Le poids de l'équipage outil + piston + tige est de F1 = 2000 daN.

2- Quelle est la pression nécessaire pour maintenir cette charge ?

Fig.b Fig.a

7

Rep Nom 1

2 3 4 5 6 7 8 9

Rep Nom

1 2 3 4 5 6 7 8 9 9’

9’’

10

1- PNEUMATIQUE :

 Exemple 1 : La tige de piston d’un vérin à double effet doit sortir sous l’action manuelle : D’un bouton poussoir OU d’une pédale. Après avoir atteint la position de fin de course, la tige du vérin revient à sa position initiale avec réduction à l’échappement

(contrôle la vitesse d’entrée de la tige du vérin) si : Le bouton poussoir OU la pédale est relâchée ET l’action du galet. Identifier les éléments constituants l’installation.

EXEMPLES DE SCHÉMAS

 Exemple 2 : La tige du vérin est complètement rentrée S0 = 1, action sur le bouton poussoir Bp1 provoque la commande du distributeur 4/2 coté YV1 par suite la tige du vérin sort a vitesse rapide si l’électrovanne YV2 est actionné par le contact Km.

Lorsque la tige arrive à la position détectée par S1 la bobine du relais KM n’est plus alimentée (S1 est actionné) et le distributeur 2/2 en position bloquée, la tige du vérin se déplace à vitesse lente jusqu’à S2 qui commande l’électrovanne YV0, la tige rentre à vitesse rapide jusqu’à S0. Identifier les éléments constituants l’installation.

2- HYDRAULIQUE :

 Exemple 1 : L’élément 7 permet de réduire la vitesse d’un vérin ou celle de rotation d’un moteur hydraulique.

Or les pompes à débit constant délivrent un débit volumique constant Qvp.

La réduction de débit délivré au vérin 8 se fait selon le principe suivant : En réduisant la section de passage du fluide en agissant sur 7, on fait monter la pression à l’entrée de cet élément. Cet excédent de pression fait intervenir le limiteur de pression 9 qui divise le débit volumique.

Rep Nom

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 10’

11

8

Pompes

 Circuit hydraulique

a- Fonction d’une pompe :

Appareil destiné à transformer l’énergie mécanique en énergie hydraulique en fournissant un débit. En pratique, il s’agit souvent d’augmenter

la pression du fluide. Cette transformation s’effectue en deux temps : - Aspiration (eau, huile… dans un réservoir);

- Refoulement.

b- Classification :

 b.1- Pompes volumétriques :

Pompes alternatives : Pompes rotatives :

 Pompes à piston ;  Pompes à engrenages ;  Pompes à pistons en ligne ;  Pompes à palettes ;

 Pompes à membrane.  Pompes à vis ;

 Pompes à pistons (axiaux ou radiaux).

 b.2- Pompes centrifuges :

c- Pompes alternative :

Caractéristique : l'écoulement du fluide est discontinu (un temps sur deux).

 c.1- Pompe à piston :

Les pistons sont animés d’un mouvement rectiligne alternatif ; ce mouvement est communiqué par un système de transformation de mouvement (bielle-manivelle ; excentrique ; came ;…).

 c.2- Fonctionnement :

Phase d’aspiration : Le piston se déplace dans le sens (1).

Le volume (v) augmente, il se produit une dépression ; le clapet (A) s'ouvre ; le clapet (B) se ferme.

Phase de refoulement : Le piston se déplace dans le sens (2).Le volume (v) diminue. Le fluide est comprimé ; le clapet (A) se ferme ; le clapet (B) s'ouvre.

 Quelle est la cylindrée par tour de cette pompe ? Cylindrée = volume = Course .Section

 Sachant que cette pompe effectue ‘’N’’ cycles par min, la pompe à un : (m³/s) (m³/tr)

(cy/min)

Phase de refoulement Phase d’aspiration

(m³/tr) (m) (m²)

Débit = Cylindrée.

60 Ncycles

 c.3- Pompes à pistons en ligne :

En cours de rotation, un arbre à cames enfonce successivement plusieurs pistons qui reviennent ensuite à leur position initiale au moyen de ressorts.

L’effet de pompage est obtenu grâce à des clapets d’aspiration et de refoulement placés sur chaque cylindre.

L’ajustage des pistons dans chaque cylindre doit être extrêmement soigné.

 c.4- Pompes à membrane :

Caractéristique : débit faible, mais régulier. La variation du volume est obtenue par déformation d’une membrane élastique.

(Exemple : pompe à essence)

9

d- Pompes rotative :

La variation du volume est obtenue par la rotation d’un rotor dans le corps de pompe, le mouvement est circulaire continu.

Caractéristique : l'écoulement du fluide est continu.

 d.1- Pompe à engrenages :

Deux roues s'engrènent à l'intérieur d'un stator. L'une des roues est engrenée par un moteur. Le fluide transporté dans les creux des dents, est transféré de l'admission à la pression Padm au refoulement

à la pression P_ref (avec P_adm < P_ref).

Les engrenages peuvent être intérieurs ou extérieurs.

Indiquer les orifices d'aspiration et les orifices de refoulement sur les Figures 1 et 2

Fig.2 Fig.1

Pompes (Suite)

 d.2- Pompes à palettes :

La rotation du rotor détermine la variation du volume compris entre deux palettes, le rotor et le corps ; d'où l'aspiration d'un coté et refoulement de l'autre. On peut faire varier la cylindrée en modifiant l’excentration ‘’e’’.

 d.3- Pompes à vis :

Le liquide enfermé dans le creux des filets est véhiculé parallèlement aux axes des vis. A chaque tour des vis, le déplacement est de un pas.

Le fonctionnement est analogue à celui d'une vis d'Archimède.

 d.4- Pompe à Pistons :

 d.41- Pompe radiale à pistons :

La force centrifuge applique les pistons contre la couronne extérieure fixe excentrée par rapport au moyeu et à l'élément central fixe. En tournant, le moyeu imprime aux pistons un mouvement de va et vient.

Pulsation d’une pompe radiale

 À piston à 2 pistons

A : L'orifice d'aspiration ; R : L'orifice de refoulement.

 À piston à 3 pistons

 d.42- Pompe axiale à pistons (à barillet) :

 Cylindrée constante : Angle ∝ constant

Le mouvement de va-et-vient des pistons est obtenu par la rotation d'un plateau à axe brisé.

Dans chaque cylindre des clapets communiquent, soit avec l'orifice d'aspiration, soit avec l'orifice de refoulement.

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e- Cylindrée, débit, puissance et rendement :

 e.1- Cylindrée : V_cyl (m³/tr)

La cylindrée par tour est le volume qu'elle refoule à chaque tour : Vcyl = c . S. np. ncy

c : Course du piston ; S : Section du cylindre ; np : Nombre de pistons ; ncy : Nombre de cycle effectué par le piston par tour ;

 e.2- Débit volumique : Qv (m³ /s)

Le débit volumique est le volume qu'elle refoule par unité de temps :Qv = Vcvl . N / 60

N : la fréquence de rotation (tr / min).

 e.3- Puissance théorique (nette) :

La puissance théorique (nette) Pn (W) : Pn = ΔP . Q_v avec : ΔP = . . .

Padm : la pression d'admission et Pref : la pression de refoulement.

 e.4- Rendements :

Rendement global ηg Pm : La puissance mécanique absorbée par la pompe.

Pompes (Suite)

 Cylindrée variable : Angle ∝ est variable

 Débit important : ∝_Maxi  Débit moyen : ∝_moy  Débit nul : ∝ = 0

_g  ⁿ  ^Hyd

m méc

P P

P P

f- Pompes centrifuges :

La rotation de la roue-entraîne la rotation du fluide ; celui-ci est alors expulsé vers l'extérieur sous l'action de la force d'inertie centrifuge.

Il se crée une dépression au centre de la roue qui provoque une aspiration du fluide. Exemples : - Pompe de vidange dans une machine à laver.

- Pompe à eau de voiture.

La régularité du débit instantané d'une pompe à pistons s'améliore avec un nombre élevé et impair de pistons.

Applications :

1. PRÉSENTATION:

Le dessin d'ensemble de la page suivante représente une pompe hydraulique, installée sur certains véhicules, permettant de fournir une puissance hydraulique capable de faire fonctionner les différents

accessoires hydrauliques de l'installation (vérins; moteurs hydrauliques ...) 2. FONCTIONNEMENT:

La prise du mouvement est obtenue par la roue dentée 41 (sortie de la boite des vitesses du véhicule) ; L'air sous pression issu d'un compresseur alternatif (à un seul cylindre), par l'intermédiaire d'une conduite raccordée au bouchon 22, exerce un effort axial sur l'arbre piston 24 ce qui provoque son déplacement jusqu'a ce que son bout droite bute sur le détecteur 35 qui fournit le signal d'information nécessaire à maintenir la pression sur le piston 24 et à mettre la roue dentée 41 en mouvement. A cet instant, la roue intermédiaire entre en prise d'une part avec la roue dentée 41 et d'autre part avec le pignon 18 callé sur l'arbre 14, le mouvement de

rotation de l'arbre 14 est transformé en mouvement de translation alternatif des pistons 6, par l'intermédiaire de la came plateau taillée sur l'arbre 14, ce qui détermine l'admission et le refoulement. La Figure a, donne un schéma simplifié de cette pompe servant aux calculs demandés.

11

Pompes (Suite)

41

12

Pompes (Suite)

3- Étude de la pompe:

La pompe représentée par le dessin d'ensemble est schématisée par la Figure a : 3.1- Exprimer la course "C" du piston 6 en fonction de r et  avec :

: Angle d'inclinaison de la came plateau par rapport à la verticale ;

r: Rayon de la circonférence de contact entre les pistons 6 et la came plateau.

3.2- Exprimer le volume "V_p" d'huile déplacé par un piston pendant un tour de l'arbre14 en fonction de C et dp, avec dp: diamètre du piston 6.

3.3- Exprimer la vitesse de rotation de la pompe "Np = N14" en fonction de Z41, N41: Z41 et Z18 : nombre de dents des roues 41et 18.N41: vitesse de rotation de la roue 41.

3.4- Donner l'expression du débit volumique "qv" de la pompe si le nombre de pistons de cette pompe est ‘’n_p‘’

3.5- Si Z₄₁ = 70 dents; Z₁₈ = 35 dents; N₄₁ = 750 tr/mn r = 30 mm; d_p = 22 mm;

np = 5 pistons et  = 30°, calculer la valeur du débit volumique de la pompe "q_v" (m³/s) 4- Cette pompe doit actionner le vérin de basculement de la benne (Voir La Figure b).

4.1- Dans un tableau donner le nom et la fonction des éléments de l’installation

hydraulique de la Figure b : 1 ; 2 ; 3 ; 4 ; 5 ; 6 ; 7 ; 8 ; 9 ; 10 ; 11 ; 12 et 13. Figure a

Figure b Si cette pompe fournit un débit qv = 1,65 l / s :

4.2- Calculer la vitesse "vp" de déplacement de la tige du piston. On donne : Dp = 120 mm. (Dp: diamètre du piston).

4.3- On fixe la vitesse de déplacement de la tige du piston vp = 0.15 m/s ; si le vérin développe un effort F = 10⁵ N, calculer :

4.3.1- La puissance mécanique "Pv" fournit par le vérin.

4.3.2- La pression ‘’P₁’’ de l'huile sur le piston du vérin.

On donne le rendement du vérin : _v = 80%, en (bars).

4.4- Si on limite la vitesse d'écoulement de l'huile dans la conduite reliant la pompe au vérin à vcmax = 6 m/s : Calculer le diamètre de la conduite "dc" en (mm).

13