Fiche de révision : Chaînes d’énergie hydrauliques et pneumatiques

📋 Plan du Cours

1. Technologies pneumatique et hydraulique
2. Grandeurs énergétiques des fluides
3. Chaîne fonctionnelle fluidique
4. Vérins et conversion en translation
5. Moteurs fluidiques et rotation
6. Puissance et cylindrée des moteurs
7. Générateur de vide
8. Fonctionnement des distributeurs
9. Symboles et commandes des distributeurs
10. Désignation des distributeurs
11. Circuits de commande pneumatique
12. Symboles des composants fluidiques

📖 1. Technologies pneumatique et hydraulique

★ À maîtriser

• Les systèmes pneumatiques utilisent l’énergie d’un gaz comprimé, le plus souvent de l’air comprimé autour de 10 bars.

• Les systèmes hydrauliques utilisent l’énergie d’un liquide, souvent de l’huile, sous une pression de l’ordre de 200 bars, ce qui permet des puissances nettement supérieures à la pneumatique.

📌 La technologie hydraulique offre de grandes puissances, des vitesses limitées et une solution onéreuse, tandis que la technologie pneumatique offre de faibles puissances, de grandes vitesses et une solution économique.

Compléments

• Malgré leurs technologies de circuit différentes, les circuits hydrauliques et pneumatiques reposent sur des principes et une schématisation identiques.

💡 Astuce mémo

Pneumatique : rapide et économique ; hydraulique : puissant et coûteux.

📖 2. Grandeurs énergétiques des fluides

🔑 Notions clés & Définitions

• Pression : Caractérise la capacité du fluide à se déplacer et représente l’effort exercé par le fluide par unité de surface.
• Débit : Caractérise la quantité de fluide qui se déplace et constitue une grandeur de flux.

★ À maîtriser

• La pression atmosphérique standard vaut environ 1 bar, soit $10^5\,\mathrm{Pa}$.

📐 Formule - La puissance d’un fluide est le produit du débit par la pression : $P=Q\,p$, avec P en W, Q en m³/s et p en Pa.

Compléments

• L’unité SI de la pression est le pascal, avec $1\,\mathrm{Pa}=1\,\mathrm{N/m^2}$.

• L’unité SI du débit volumique est le mètre cube par seconde (m³/s).

💡 Astuce mémo

Pression = effort ; débit = flux.

📖 3. Chaîne fonctionnelle fluidique

🔑 Notions clés & Définitions

• Énergie hydraulique ou pneumatique : L’énergie hydraulique ou pneumatique est l’énergie fournie par un fluide sous pression, comme l’huile ou l’eau en hydraulique et l’air comprimé en pneumatique ; elle est principalement liée à la pression du fluide et ne se réduit pas à son énergie cinétique.

★ À maîtriser

• 🔄 La chaîne d’énergie fluidique suit ces fonctions :
  1. Alimenter en énergie
  2. Moduler l’énergie
  3. Convertir l’énergie fluidique en énergie mécanique
  4. Adapter et transmettre
  5. Agir sur la matière d’œuvre

Compléments

• Dans la chaîne d’énergie, l’alimentation est assurée par une centrale hydraulique ou pneumatique, la modulation par une électrovanne ou un distributeur, la conversion par un vérin ou un moteur fluidique, et l’adaptation-transmission par un mécanisme.

💡 Astuce mémo

Alimenter → moduler → convertir → adapter et transmettre → agir.

📖 4. Vérins et conversion en translation

🔑 Notions clés & Définitions

• Taux de charge : Le taux de charge tient compte des effets de la contre-pression et des frottements internes et correspond au rapport de l’effort de charge à l’effort théorique : $T_{\mathrm{charge}}=\frac{F_{\mathrm{charge}}}{F_{\mathrm{théorique}}}$.

★ À maîtriser

• Les vérins sont les composants privilégiés pour obtenir un mouvement de translation.

📌 Dans un vérin simple effet, la pression n’agit que d’un côté du piston et le rappel est assuré par un ressort ; dans un vérin double effet, la pression est distribuée alternativement de chaque côté du piston pour le déplacer dans les deux sens.

📐 Formule - La puissance absorbée à l’admission d’un vérin est le produit du débit entrant par la pression d’admission : $P_{\mathrm{absorbée}}=Q\,p$.

📐 Formule - La puissance mécanique utile en translation à la tige du vérin est $P_{\mathrm{utile}}=F\,V$, où F est la force disponible et V la vitesse de la tige par rapport au corps.

📐 Formule - La vitesse d’un vérin est égale au débit volumique divisé par la surface utile : $V=\frac{Q}{S}$.

📐 Formule - L’effort théorique nécessaire est la somme de l’effort de charge, de l’effort de frottement et de l’effort de contre-pression : $F_{\mathrm{th}}=F_{\mathrm{charge}}+F_{\mathrm{frottement}}+F_{\mathrm{contre\text{-}pression}}=pS$.

Compléments

• Un vérin est caractérisé par sa course, le diamètre de son piston et la pression de l’air nécessaire à l’effort à fournir.

📐 Formule - Le rendement d’un vérin est le rapport de sa puissance utile à sa puissance absorbée : $\eta=\frac{P_{\mathrm{utile}}}{P_{\mathrm{absorbée}}}$.

📐 Formule - En poussant, l’effort théorique du vérin vaut $F=p\,\frac{\pi D^2}{4}$.

📐 Formule - En tirant, l’effort théorique du vérin vaut $F'=p\,\frac{\pi}{4}(D^2-d^2)$.

📐 Formule - L’effort théorique d’un vérin est égal à la pression de service multipliée par la surface utile du piston : $F_{\mathrm{th}}=pS$, avec Fth en daN, S en cm² et p en bar.

💡 Astuce mémo

Simple effet : ressort au retour ; double effet : pression des deux côtés.

📖 5. Moteurs fluidiques et rotation

★ À maîtriser

• Un moteur pneumatique ou hydraulique convertit l’énergie fluidique en énergie mécanique de rotation.

• Le moteur pneumatique le plus courant est le moteur à palettes, dans lequel l’air comprimé emprisonné entre les palettes entraîne la rotation de l’arbre de sortie.

Compléments

• Dans un moteur hydraulique, le mouvement d’un liquide met l’élément rotatif en rotation.

• Les moteurs hydrauliques se répartissent en trois types :

  • Moteurs à engrenage
  • Moteurs à palettes
  • Moteurs à pistons

• Dans un moteur hydraulique à engrenage, les dents soumises à une différence de pression s’éloignent de la paroi du carter et entraînent la rotation des roues en sens opposé.

• Dans un moteur pneumatique, le mouvement de l’air comprimé met l’élément rotatif en rotation.

📖 6. Puissance et cylindrée des moteurs

🔑 Notions clés & Définitions

• Cylindrée : Volume déplacé par tour de pompe, exprimé en m³/tr.

★ À maîtriser

📐 Formule - La puissance mécanique en rotation disponible à la sortie du moteur vérifie $P_s=C\cdot\omega$, où $C$ est le couple à l’arbre de sortie et $\omega$ le taux de rotation.

📐 Formule - La cylindrée et le débit sont reliés par $Cyl=Q\cdot\frac{2\pi}{\omega}=Q\cdot\frac{60}{N}$, avec $\omega=\frac{2\pi N}{60}$.

Compléments

• Dans les unités SI indiquées, le débit Q s’exprime en m³·s⁻¹, la cylindrée en m³·tr⁻¹ et le taux de rotation ω en rad·s⁻¹.

• Pour un moteur de cylindrée 250 cm³·tr⁻¹ tournant à ω=1000 rad·s⁻¹, soit environ 10000 tr·min⁻¹, le débit d’air théorique requis est 0,04 m³·s⁻¹.

📖 7. Générateur de vide

🔑 Notions clés & Définitions

• Générateur de vide : Appareil qui aspire l’air présent dans une canalisation et y crée une dépression.

📝 Points essentiels

• Dans un générateur de vide, le passage de l’air dans un rétrécissement augmente sa vitesse, diminue sa pression (p₂<p₁) et crée une dépression qui aspire l’air de la canalisation.

💡 Astuce mémo

Le rétrécissement accélère l’air → sa pression baisse et crée une dépression.

📖 8. Fonctionnement des distributeurs

🔑 Notions clés & Définitions

• Distributeur : Pré-actionneur qui, à la réception d’un signal de commande, dirige le débit d’air ou d’huile vers un actionneur.

★ À maîtriser

• Les distributeurs sont caractérisés par le nombre d’orifices principaux nécessaires au fonctionnement des actionneurs et par le nombre de positions, représenté par le nombre de cases du symbole.

Compléments

• Les distributeurs ont le même rôle que les contacteurs.

• Dans un distributeur, un coulisseau ou tiroir se déplace dans le corps et ouvre ou ferme des orifices d’air pour piloter différents actionneurs.

• Un distributeur peut avoir 2, 3 ou 4 positions.

📖 9. Symboles et commandes des distributeurs

★ À maîtriser

• Une flèche symbolise une possibilité de passage du fluide et indique son sens de circulation, tandis qu’un T symbolise le blocage du fluide.

📌 Un distributeur monostable retrouve sa position de repos par ressort en l’absence de signal de pilotage, tandis qu’un distributeur bistable conserve la position qu’il occupait précédemment.

Compléments

• Chaque position d’un distributeur est représentée par un carré, et les canalisations aboutissent à la case représentant la position initiale.

• Un échappement est représenté par un triangle noirci en hydraulique et clair en pneumatique.

• Une source de pression est représentée par un cercle noirci en hydraulique et avec un point en pneumatique.

• Les commandes représentées peuvent être :

  • pneumatiques
  • électro-pneumatiques
  • par levier
  • par galet
  • électriques directes
  • par ressort
  • manuelles
  • par pédale

💡 Astuce mémo

Le triangle indique l’échappement ; la flèche, le passage ; le T, le blocage.

📖 10. Désignation des distributeurs

★ À maîtriser

• La désignation d’un distributeur m/n indique m orifices d’arrivée ou d’échappement et n positions du tiroir.

Compléments

• Les désignations données comme exemples sont 3/2, 4/2 et 5/2.

📖 11. Circuits de commande pneumatique

📝 Points essentiels

• Les composants de l’exemple sont : un vérin double effet, un distributeur 5/2 bistable à pilotage pneumatique, un réducteur de débit réglable, un sélecteur de circuit, des distributeurs 3/2 monostables à commande manuelle, une unité de conditionnement comprenant filtre, régulateur de pression et lubrificateur

• Dans l’exemple de commande, la tige du vérin sort sous l’action manuelle d’un bouton poussoir ou d’une pédale, puis revient en fin de course lorsque le bouton ou la pédale est relâché, avec réduction à l’échappement pour contrôler sa vitesse d’entrée.

📖 12. Symboles des composants fluidiques

📝 Points essentiels

• Les signes de base associent les canalisations à l’alimentation, au pilotage et aux fuites, et utilisent notamment le cercle pour des appareils tels que pompes, moteurs, clapets de non-retour, galets, articulations et appareils de mesure.

• Les formes symboliques comprennent le carré ou rectangle pour la régulation et les distributeurs, le losange pour le conditionnement, et le triangle pour indiquer le sens et la nature du fluide.

• Les symboles de vérins comprennent : les vérins simple effet à rappel par ressort, les vérins double effet, les vérins double effet avec amortisseur réglable d’un seul côté

• L’annexe présente des symboles de distributeurs 2/2, 3/2, 3/3, 4/2, 4/3, 5/2 et 5/3, ainsi que des variantes proportionnelles à deux positions extrêmes et une infinité de positions intermédiaires.

📊 Tableaux de synthèse

Technologies hydraulique et pneumatique