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AF-Approche fonctionnelle des systèmes
Synthèse C-AF3
Circuit hydraulique et pneumatique
Compétences attendues:
o
o
o
o
Identifier les composants de la chaîne d'énergie (Cconv3, Cconv6, Ctran1),
Identifier les composants de la chaîne d'information (Cat1, Cat5),
déterminer les grandeurs énergétiques des éléments (puissances d'entrée et de sortie, rendement) Cce11
identifier les constituants du réseau d'alimentation hydraulique ou pneumatique.
1 Chaîne fonctionnelle et composants hydraulique et
pneumatique
Chaine d'information
Communiquer
avec l'utilisateur
Acquérir la
position de la
tige du vérin
modules de dialogue
Traiter les
informations
Communiquer
avec le système
………capteur…
unité centrale
module de sortie
Chaine d'énergie
Alimenter
en énergie
hydraulique
Distribuer
l'énergie
hydraulique
centrale hydraulique ou
groupe pneumatique
Convertir l'énergie
fluidique en énergie
mécanique
distributeur
vérin ou moteur pneumatique
ou hydraulique
Figure 1 : chaine fonctionnelle pneumatique ou hydraulique
La chaîne d'information peut utiliser de l'énergie électrique ou de l'énergie de même nature que la
chaîne d'énergie.
La différence essentielle est alors le niveau des pressions mises en jeu. Dans ce cas l'unité centrale
est constituée d'une logique câblée pneumatique et hydraulique.
Chaîne d'énergie
Chaîne d'information
Energie électrique
220 V
24 V
Energie pneumatique
6 bar
3 bar
Energie hydraulique
250 bar
10 bar
Figure 2 : ordre de grandeur des niveaux d'énergie dans la chaîne fonctionnelle d'applications industrielles.
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Electrique
- disponibilité de l'énergie
- faible investissement
- temps de réponse
- interface avec la commande
- vitesse importante en rotation
Pneumatique
- maintenance facile
- commande simple
- démarrage en charge
- réglage simple
- vitesse importante
Hydraulique
- rapport poids/puissance
- charge importante
- précision position
- démarrage en charge
- réglage simple
Inconvénient
- démarrage en charge parfois
problématique
- commande plus délicate
- position imprécise (air
compressible)
- efforts limités
Exemple
d'utilisation
- usages domestiques
- systèmes à déplacement
rapide
- automatisme industriel
- outillage grande vitesse
- maintenance délicate
- cher
- dangereux (pression
élevée)
- vitesses lentes
- véhicule avec charge
lourde
- machine outil
Avantage
Figure 3 : Avantages et inconvénients des différents types de source d'énergie
2 Fonction "convertir l'énergie pneumatique ou
hydraulique en énergie mécanique"
2.1 Conversion en énergie
nergie mécanique de translation
Pour obtenir une translation, les vérins sont les composants
composant privilégiés (on parle aussi de vérin
électrique mais il s'agit alors d'un motoréducteur électrique muni d'une transformation de
mouvement).
Composants principaux d'un vérin :
- d'un corps sur lequel se font les connexions du fluide,
- d'un piston qui sépare 2 chambres soumises à des pressions différentes,
- d'un dispositif de transmission de l'effort vers l'extérieur, en général la tige.
Deux grandes classes de vérins sont usuelles :
Vérin simple effet
Vérin double effet
Le retour du vérin en position se fait par le
ressort ou la charge.
L'ensemble tige piston peut se déplacer dans les
2 sens par l'action du fluide (effort plus faible en
tirant : rentrée de la tige).
Avantage : économique.
Inconvénient : encombrant,
nt, course réduite.
Utilisation : serrage, éjection, levage.
levage
Avantages : plus souple, réglage
glage plus simple de
la vitesse.
Inconvénient : + cher que le vérin simple effet.
effet
Utilisation : grand nombre d'applications
industrielles.
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Puissance hydraulique (en W)
Loi entrée - sortie
Pe= Q.p
Vérin
Q : débit en m3/s
p : pression du fluide en Pa
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Puissance en translation (en W)
Ps=F.V
D : diamètre du piston (en m)
d : diamètre de la tige (en m)
c : course (en m)
Q = V.S
F = (p.S – Fr)
F: force disponible en bout de tige (en N)
V: vitesse de la tige (en m/s)
S : section du piston (en m2)
- coté corps S=π.D2/4
- côté tige S= π.D2/4- π.d2/4
Fr : effort résistant (en N)
Simple effet : Fr = force du ressort (+ frottement)
Double effet Fr = pr.S (+ frottement)
pr : pression de refoulement (en Pa)
S: section du piston en contact avec le fluide refoulé
Le rendement η=Ps/Pe traduit les pertes dues:
- au frottement de la tige et du piston sur le corps,
- à la résistance de l'air au refoulement,
au passage du fluide d'une chambre à l'autre (négligeable lorsque les joints sont en bon
état).
Unités usuelles et internationales:
Pression : p=1 bar (pression atmosphérique)
Débit : Q en l/min
Q= V .N
Force : F en "Kg"
Vitesse : V en km/h
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2.2 Conversion en énergie mécanique de rotation
Vérin rotatif:
Afin d'obtenir une rotation en sortie, on peut utiliser un mécanisme de transformation de
mouvement en sortie de vérin (l'amplitude de la rotation est alors limitée).
Figure 4 : vérin rotatif
Moteur pneumatique ou hydraulique
Si on souhaite une rotation non continue ou utilise un moteur.
Figure 5 : moteur pneumatique (ou hydraulique)
Puissance hydraulique (en W)
Loi entrée - sortie
Pe= Q.∆p
Moteur
Q : débit en m3/s
∆p : pression du fluide en Pa
V : cylindrée (en m3/tour)
Puissance en translation (en W)
Pss=Τ
Τ.Ω
Ω
Τ:: couple disponible à l'arbre de
sortie (en N.m)
Ω:: vitesse de rotation de la tige
(en rad/s)
Q = V .2.π.Ω
Le lien entre p et Τ est donné
par des abaques.
2.3 Conversion en dépression
La préhension par ventouse est un moyen simple de
saisir des pièces lisses. Afin d'être réversible la
préhension nécessite l'emploi d'un générateur de vide
qui à partir de l'air sous pression créé une dépression
relative (dixième de bar).
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Figure 6 : Générateur de vide (Venturi)
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3 Distribuer l'énergie pneumatique ou hydraulique
La fonction "distribuer" consiste ici à acheminer l'air ou l'huile vers l'actionneur en fonction des
ordres de la commande
Les distributeurs sont définis par deux caractéristiques fonctionnelles :
• le nombre d'orifices principaux nécessaires au fonctionnement des différents types
d'actionneurs, (non compris les orifices de pilotage).
• le nombre de positions définissant l'état repos et l'état travail. il est possible d'avoir 2, 3
ou 4 positions.
Distributeur 5/2
Distributeur monostable :
Un distributeur est dit monostable lorsqu'il y a un déficit entre le nombre de positions que
peut prendre ce distributeur et le nombre de pilotes ou s'il y a un ressort.
ressort.
Exemples :
Distributeur 5/2 monostable à commande électrique.
électrique
Le rappel se fait par ressort. La position stable est la
position repos (ressort détendu).
Distributeur 5/3 monostable à commande électrique.
électrique
Le rappel en position stable se fait par ressort. La
position stable est la position centrale (ressorts
détendus)
Distributeur bistable :
Exemple :
Distributeur 5/2 bistable à commande électrique.
électrique. Il n'y
a pas de ressort et il y a deux positions stables
Bloqueur :
Les bloqueurs sont des
distributeurs
2/2
qui
s'utilisent, en général pour
bloquer un vérin dans une
position intermédiaire. Dans ce
cas
on
s'utilisera
deux
bloqueurs pour bloquer le
vérin en position.
Les différents type de pilotage :
pilotage électrique
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pilotage pneumatique
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pilotage électro-pneumatique
électro
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Afin de profiter pleinement de l'incompressibilité de l'huile pour la mise en position précise on
pourra utiliser des distributeurs proportionnels qui permettent de contrôler le débit en fonction de la
position ou de la vitesse du vérin souhaitée.
double barre de la commande proportionnelle
schéma équivalent de la position intermédiaire de C1
schéma équivalent de la position intermédiaire de C2
Figure 7 : distributeur proportionnel (les flèches sur les commandes confirme que la commande est proportionnelle)
4 Alimenter en énergie pneumatique ou hydraulique
4.1 Alimentation pneumatique
La production d'air comprimée est centralisée.
Figure 8 : Perspective d'une installation à
production d'air comprimé centralisée
Le composant permettant d'obtenir de l'air comprimé
s'appelle un compresseur. Il est constitué d'un moteur et
d'une pompe.
Un ballon muni d'une soupape de sécurité et d'une vanne de purge permet de pallier aux
irrégularité de la demande d'air comprimé.
Figure 9 : Centrale de production d'air comprimée
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Les accessoires de lignes ont pour objet de régler un débit, régler la pression,
pression réduire les bruits
d'échappement et de connecter les appareils entre eux.
Ensemble de conditionnement d’air :
Lors du passage de l'air du compresseur à son lieu d'utilisation,
d'utilisation, l'air s'enrichit en poussière, rouille
des tuyaux des canalisations. Il est donc nécessaire de le filtrer pour retirer ces éléments nuisibles
au bon fonctionnement des composants, de le lubrifier pour faciliter le déplacement des organes
mobiles des composants
mposants pneumatiques et d'en contrôler la pression.
manomètre
filtre
Lubrificateur à
goutte
Régulateur de
pression
Figure 10 : tête de ligne (groupe de conditionnement)
Les silencieux :
Les silencieux sont chargés d'atténuer les bruits d'échappement de l'air
comprimé. Ils sont constitués de filtre de mousse.
Figure 11 : silencieux
4.2 Alimentation en énergie hydraulique
L'alimentation en huile sous pression fonctionne en boucle fermée autour de la bâche (réservoir
d'huile
le clos qui protège l'huile des impuretés).
Figure 12 : groupe d'alimentation hydraulique
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On retrouve les mêmes éléments que pour le pneumatique :
- compresseur,
- soupape de sécurité,
- filtre
- manomètre.
Un ballon oléopneumatique peut être présent afin de réguler la pression dans le circuit.
Figure 13 :
ballon à gaz
La propreté de l'huile permet de se contenter d'un filtre grossier (crépine) avant la pompe et d'un
filtre placé au retour vers le réservoir.
Cela permet alors d'éviter l'utilisation d'un filtre à haute pression en sortie de pompe qui doit
alors être surdimensionné pour résister à la pression (cher).
Dans le cas de l'hydraulique la production n'est pas centralisée sur un bâtiment mais produite
localement pour chaque système.
4.3 Composants annexes d'alimentation
Les clapets anti-retour :
Ils assurent le passage du fluide dans un sens et bloquent le débit dans l'autre
sens. Une bille peut se déplacer dans une cavité. Lorsque le fluide se déplace
dans le sens contraire au sens de passage, la bille obstrue le passage et
empêche le fluide de s'échapper. Cet élément peut être utilisé pour maintenir
un circuit sous pression en cas de coupure d'alimentation.
Les étrangleurs :
Les étrangleurs ont pour rôle de régler la vitesse des vérins. Ils s'implantent sur
chacun des orifices d' échappement des distributeurs. Ils sont composés d'un
orifice de passage d'air qui peut être obstrué par une vis de réglage pour
réguler l'échappement.
Figure 14 : clapet anti-retour
Figure 15 : étrangleur
(limiteur de débit)
Les réducteurs de débit unidirectionnel (RDU) :
Ils sont destinés à régler le débit du fluide. Ils doivent assurer le freinage du débit de
fluide dans un sens et le plein passage dans l'autre sens. Le clapet anti-retour obstrue le
passage dans un sens et l'oblige à passer par l'étrangleur dans l’autre sens.
Figure 16 : rdu
Le réglage de la vitesse d'un vérin se fait en plaçant un rdu au niveau de
l'échappement du vérin (les vitesses d'entrée et de sortie sont alors
indépendantes).
Attention en hydraulique, ce type de montage peut créer une suppression
importante dans la chambre au refoulement.
Figure 17 : exemple d'utilisation d'un rdu pour le contrôle de la vitesse de sortie d'un vérin
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5 Repérage normalisé des composants
Figure 18 : repérage normalisé des composants hydrauliques
ou pneumatiques
Bibliographie:
Automatique et informatique industrielle de C.Merlaud chez Dunod,
Cours sur la pneumatique de L.Isambert téléchargé sur http://www.geea.org
Hydraulique industrielle de JJ Veux (à commander sur son site perso : http://jjveux.pagesperso-orange.fr)
Cours hydraulique et pneumatique de Sami Bellalah et Iset Nabeul sur www.technologuepro.com
Merci à O.Kientz pour sa synthèse sur les préactionneurs
S. Génouël Annexe 08 – Schémas électrique et pneumatique (http://stephane.genouel.free.fr)
Circuit puissance pneumatique : excellent Powerpoint de JL Hû téléchargeable sur http://perso.wanadoo.fr/hu.jeanlouis/ressourc/auto/telecha/puispneu.zip
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