Les Actionneurs Hydrauliques

Ce document présente les notions fondamentales sur les actionneurs hydrauliques, destinées aux étudiants en génie mécanique, automatisme ou instrumentation. Il couvre les types de vérins, leur dimensionnement, ainsi que des exercices pratiques pour mieux comprendre leur fonctionnement.

Les actionneurs hydrauliques

Les actionneurs hydrauliques sont des dispositifs qui convertissent l’énergie hydraulique en énergie mécanique. Ils se divisent en deux grandes catégories :

• Les récepteurs pour mouvement de translation : les vérins.
• Les récepteurs pour mouvement de rotation : les moteurs hydrauliques.

Ce chapitre se concentre principalement sur les vérins, en raison de leur grande similitude avec les actionneurs pneumatiques.

Les vérins

Principaux types de vérin

Type	Description	Avantages	Inconvénients	Utilisation
Vérin simple effet	La tige se déplace dans un seul sens sous l'action du fluide sous pression. Le retour est assuré par un ressort ou une charge.	Consommation de fluide réduite, économique.	Encombrant, course limitée.	Serrage, éjection, levage.
Vérin double effet	La tige et le piston peuvent se déplacer dans les deux sens sous l'action du fluide. L'effort en poussant est légèrement supérieur à l'effort en tirant.	Plus souple, réglage de vitesse et amortissement de fin de course possible.	Plus coûteux.	Nombreuses applications industrielles.
Vérins spéciaux	Vérin à tige télescopique : simple effet, permet des courses importantes tout en conservant une longueur repliée raisonnable. Vérin rotatif : transforme l'énergie du fluide en mouvement de rotation avec un angle variant de 90° à 360°. Amortissements possibles.

Symboles et schémas

Les symboles standards pour les vérins simple et double effet sont utilisés en schémas hydrauliques pour représenter leur fonctionnement et leur action.

Dimensionnement des vérins

Pour dimensionner un vérin, il faut déterminer la pression d’utilisation (p) en fonction de la force nécessaire (F) et de la section annulaire (S) du vérin.

La section utile S est donnée par :

S = S2 - S1

où :

• S2 est la section totale du piston (alésage).
• S1 est la section de la tige.

Pour calculer la vitesse de sortie ou de rentrée du vérin, on utilise :

• Q : débit du fluide dans le vérin (m3/s).
• V : vitesse de la tige du vérin (m/s).
• S2 : section du piston (m2).

La relation entre débit et vitesse est :

Q = S × V

où S est la section correspondante (S2 ou S2 - S1 selon le sens du mouvement).

Puissance utile

La puissance utile mécanique fournie par le vérin est :

Putile = F × V

avec F la force en newtons et V la vitesse en m/s.

Puissance hydraulique absorbée

La puissance hydraulique absorbée par le vérin est :

Phydraulique = p × Q

où p est la pression en pascals et Q le débit en m3/s.

Rendement d’un vérin

Le rendement η est le rapport entre la puissance utile et la puissance hydraulique absorbée :

η = Putile / Phydraulique

Exemple de calcul

On souhaite déplacer une charge de 10 tonnes (T) à l’aide d’un vérin. Le diamètre du vérin est de 20 mm et son alésage de 100 mm. Calculer la pression P nécessaire pour pousser la charge.

Correction :

1. Calcul de la force à exercer :

F = masse × gravité = 10 000 kg × 9,81 m/s² = 98 100 N

2. Calcul des sections :

S2 = π × (D/2)^2 = 3,1416 × (0,1 / 2)^2 = 7,85 × 10^-3 m²
S1 = π × (d/2)^2 = 3,1416 × (0,02 / 2)^2 = 3,14 × 10^-4 m²
S = S2 - S1 = 7,85 × 10^-3 - 3,14 × 10^-4 = 7,54 × 10^-3 m²

3. Calcul de la pression :

P = F / S = 98 100 / 7,54 × 10^-3 ≈ 13 000 000 Pa = 130 bar

La pression nécessaire pour pousser la charge est donc environ 130 bar.

Exercices non résolus

Exercice 1

Le piston d’un vérin a une section de 40 cm². Ce vérin reçoit un débit de 24 l/min. Calculer :

• La vitesse V de déplacement en sortie de tige.
• La durée de la course si celle-ci fait 20 cm.

Exercice 2

Un vérin a pour section côté piston 40 cm². Il reçoit un débit de 36 l/min. La pression de service est de 80 bar. Calculer :

• La puissance fournie par le vérin.
• La puissance nécessaire au récepteur, sachant que le rendement global de l’installation est de 60 %.

Glossaire des termes clés

• Actionneur hydraulique : Dispositif transformant l’énergie hydraulique en énergie mécanique.
• Vérin simple effet : Vérin dont la tige se déplace dans un seul sens sous pression, le retour étant assuré par un ressort ou une charge.
• Vérin double effet : Vérin dont la tige peut se déplacer dans les deux sens sous pression hydraulique.
• Section annulaire (S) : Surface effective sur laquelle agit la pression hydraulique, égale à la différence entre la section du piston et celle de la tige.
• Débit (Q) : Volume de fluide hydraulique circulant par unité de temps, exprimé en m3/s ou l/min.
• Vitesse (V) : Vitesse de déplacement de la tige du vérin, en m/s.
• Puissance utile : Puissance mécanique fournie par le vérin, égale au produit de la force par la vitesse.
• Puissance hydraulique absorbée : Puissance consommée par le vérin, égale au produit de la pression par le débit.
• Rendement (η) : Rapport entre la puissance utile et la puissance hydraulique absorbée.

Points clés à retenir

• Les vérins sont les principaux actionneurs hydrauliques pour les mouvements de translation.
• Le vérin simple effet ne pousse que dans un sens, le retour se fait par un ressort ou une charge.
• Le vérin double effet permet un déplacement dans les deux sens grâce à la pression hydraulique.
• Le dimensionnement d’un vérin repose sur la force à exercer et la section utile du piston.
• La vitesse de déplacement du vérin dépend du débit hydraulique et de la section du piston.
• La puissance utile est égale à la force multipliée par la vitesse, tandis que la puissance hydraulique absorbée est la pression multipliée par le débit.
• Le rendement d’un vérin traduit son efficacité énergétique.