Principe de fonctionnement, typologies, calculs et solutions Parker Hannifin
Dans un circuit, les actionneurs hydrauliques constituent l'outil indispensable pour convertir l'énergie hydraulique en énergie mécanique. Cette conversion se fait par des mouvements rotatifs (moteurs) ou par des mouvements de translation linéaire (vérins à simple ou à double effet).
Les vérins sont des moteurs (ou pompes) linéaires. On considère généralement que les fuites internes de ces organes sont négligeables, et donc que leur rendement volumétrique est proche de 1. On ne décrira ici que les vérins à tige simple ; le raisonnement pour les vérins à double tige est analogue.
Vérin à simple effet
Le vérin à simple effet ne peut appliquer la force que dans un sens.
Vérin à double effet
Le vérin à double effet a deux aires effectives : une pour exécuter la sortie de la tige du vérin et l'autre pour exécuter sa rentrée. Ce principe apporte un élément nouveau dans les constituants du vérin : le piston.
Amortissement en fin de course
Les vérins avec amortissement servent à ralentir les vitesses en fin de course et empêchent le piston de cogner contre le fond du vérin.
L'amortissement d'un vérin marchant à une vitesse v < 6 m/min n'est pas nécessaire. Entre 6 m/min < v < 20 m/min, il faut prévoir un amortissement par soupape d'étranglement ou soupape de freinage. À v > 20 m/min, des mesures d'amortissement ou de freinage particulières s'imposent.
À la sortie du piston à sa position extrême avant, la section de passage disponible au fluide s'échappant de la chambre du piston est obturée par l'élément d'amortissement à partir d'un certain point, jusqu'à fermeture complète de la section. Le fluide contenu dans la chambre du piston s'écoule alors par une soupape d'étranglement. Pour l'amortissement de fin de course, il faut toujours un limiteur de pression.
Les joints d'étanchéité
Les joints d'étanchéité protègent les composants hydrauliques contre les fuites. Ils sont très importants pour le rendement d'une installation hydraulique, étant donné que les fuites s'accompagnent forcément de pertes d'énergie.
En règle générale, des joints statiques sont montés entre deux pièces immobiles, des joints dynamiques entre deux pièces mobiles.
Joints statiques :
- Joints toriques pour les corps de vérin ;
- Joints plats pour les couvercles des réservoirs d'huile.
Joints dynamiques :
- Garnitures des pistons et tiges de piston ;
- Joint pour arbres tournants.
Selon les conditions d'exploitation (pression, température, vitesse, diamètre, huile, eau), les vérins comportent des joints d'étanchéité comme ceux représentés ci-dessous :
| 1 | Joint racleur | 5 | Joint torique |
| 2 | Joint d'étanchéité tige | 6 | Joint torique avec bague glissante |
| 3 | Joint d'étanchéité douille couvercle | 7 | Bague de guidage |
| 4 | Douille de guidage de la tige |
Type de fixation
Les vérins peuvent être montés de différentes manières selon le travail qu'ils sont appelés à fournir.
Caractéristiques des vérins
Le point de départ pour le choix d'un vérin est le travail qui lui est demandé : la force F. La pression p requise est déterminée dans chaque cas individuel.
F = p · A
Cette expression permet de définir le diamètre du piston. À cette occasion, il convient de considérer le rendement hydromécanique ηhm, fonction de la rugosité du tube de vérin, de la tige de piston et du système d'étanchéité. Il se situe entre 0,85 et 0,95. Le diamètre du piston d est obtenu à partir de l'expression :
d = √ 4F / (p · ηhm · π)
Dans cette formule, on n'a pas pris en considération les fuites volumétriques (ηv = 1).
- Le diamètre intérieur du cylindre = dK
- La surface du piston = AK
- Le diamètre de la tige = dST
- La surface annulaire du piston = AKR = AK − AST
- Le rapport de surfaces φ = AK / AKR
| φ nominal | dK (mm) | 25 | 32 | 40 | 50 | 60 | 63 | 80 | 100 | 125 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| AK (cm²) | 4.91 | 8.04 | 12.6 | 19.6 | 28.3 | 31.2 | 50.3 | 78.5 | 123 | |
| 1,25 | dST | 12 | 14 | 18 | 22 | 25 | 28 | 36 | 45 | 56 |
| AKR | 3.78 | 6.5 | 10.0 | 15.8 | 23.4 | 25.0 | 40.1 | 62.2 | 98.1 | |
| φ réel | 1.3 | 1.24 | 1.25 | 1.24 | 1.21 | 1.25 | 1.25 | 1.26 | 1.25 | |
| 1,4 | dST | 14 | 18 | 22 | 28 | 32 | 36 | 45 | 56 | 70 |
| AKR | 3.73 | 5.5 | 8.77 | 13.5 | 20.2 | 21 | 34.4 | 54 | 84.2 | |
| φ réel | 1.46 | 1.46 | 1.44 | 1.45 | 1.39 | 1.49 | 1.46 | 1.45 | 1.46 | |
| 1,6 | dST | 16 | 20 | 25 | 32 | 36 | 40 | 50 | 63 | 80 |
| AKR | 2.9 | 4.9 | 7.66 | 11.6 | 18.2 | 18.6 | 30.6 | 47.4 | 72.4 | |
| φ réel | 1.69 | 1.64 | 1.64 | 1.69 | 1.55 | 1.68 | 1.64 | 1.66 | 1.69 | |
| 2 | dST | 18 | 22 | 28 | 36 | 40 | 45 | 56 | 70 | 90 |
| AKR | 2.36 | 4.24 | 6.41 | 9.46 | 15.7 | 15.3 | 25.6 | 40.0 | 59.1 | |
| φ réel | 2.08 | 1.9 | 1.96 | 2.08 | 1.8 | 2.04 | 1.96 | 1.96 | 2.08 | |
| 2,5 | dST | 20 | 25 | 32 | 40 | 45 | 50 | 63 | 80 | 100 |
| AKR | 1.77 | 3.13 | 4.52 | 7.07 | 12.3 | 11.5 | 19.1 | 28.4 | 44.2 | |
| φ réel | 2.78 | 2.57 | 2.78 | 2.78 | 2.3 | 2.7 | 2.64 | 2.78 | 2.78 | |
| 5 | dST | - | - | - | 45 | 55 | 56 | 70 | 90 | 110 |
| AKR | - | - | - | 3.73 | 4.54 | 6.54 | 11.8 | 14.9 | 27.7 | |
| φ réel | - | - | - | 5.26 | 6.2 | 4.77 | 4.27 | 5.26 | 4.43 |
Le tableau ci-dessus donne les valeurs jusqu'au diamètre de piston 125 mm. Le tableau complet figure dans la norme DIN 3320.
Relation entre débits et sections
Il existe trois montages distincts des vérins à simple tige :
- montage normal tige sortante ;
- montage normal tige rentrante ;
- montage différentiel (tige sortante).
On indique pour chacun de ces montages une section active Sa, qui caractérise la relation section / débit Qv d'alimentation du vérin. Cette relation s'écrit :
Qv = Vitesse (tige + piston) × Sa
Montage normal tige sortante
Montage normal tige rentrante
Montage différentiel (tige sortante)
Ce montage consiste à mettre sous pression les deux chambres simultanément. La chambre côté tige rejettera donc son huile dans l'autre chambre, ce débit s'ajoutant à celui d'alimentation. La vitesse de la tige sera donc plus importante que dans le montage normal.
Il y a toute une gamme de vérins pour lesquels les sections de tige sont la moitié des sections de pistons (en surface), ce qui permet d'obtenir une vitesse de sortie de tige identique à celle de rentrée grâce à ce montage en différentiel.
Relation entre efforts et pressions
Si on écrit l'équilibre de l'ensemble mobile piston + tige, on obtient la relation suivante ; la force F est algébrique en fonction du sens positif défini, de même que les actions des pressions dans les deux chambres :
p1 · Spiston − p2 · (Spiston − Stige) + F = 0⚠️ Attention : la pression dans la chambre 1 risque, dans certains cas, de provoquer une pression importante dans la chambre 2 (multiplication de pression), si un freinage du débit est réalisé sur l'échappement de 2.
Calcul des tiges de vérins au flambage
Le flambage (ou flambement) est un phénomène de rupture brutale qui survient lorsqu'une poutre élancée est soumise à de la compression. Les tiges de vérins se déterminent par la formule d'Euler. Pour les différents cas de montage, on définit la longueur libre d'Euler L0 (dans tous les cas, la longueur L va du point d'attache du corps de vérin au point d'attache de la tige).
Cas n°1 : corps de vérin encastré, l'autre extrémité libre.
Cas n°2 : deux extrémités articulées restant sur un même axe.
Cas n°3 : une extrémité encastrée, l'autre articulée restant sur un même axe.
Cas n°4 : deux extrémités encastrées, restant sur le même axe.
La formule d'Euler qui suit, utilisée pour les tiges de vérins, est bien sûr applicable à toutes les poutres subissant ce type de contraintes. Elle donne la charge maximale en service en fonction des autres paramètres.
⚠️ Attention : il faut considérer la longueur L avec la tige entièrement sortie.Fmax = π² · E · I / (s · L0²)
Avec :
- E = module d'élasticité longitudinal (≈ 20 000 daN/mm² pour l'acier) ;
- I = moment d'inertie (moment quadratique en flexion), I = π · d4 / 64 ;
- d = Ø de la tige ;
- s = coefficient de sécurité (valeur usuelle = 3,5 pour les vérins) ;
- L0 = longueur libre de flambage (voir les cas ci-dessus).
La longueur libre de flambage est parfois à modifier en fonction de la tête de vérin et du guidage : consulter alors le catalogue du constructeur.
Offre technologique de Parker Hannifin
Parker Hannifin est l'un des leaders mondiaux de la fabrication de vérins industriels conformes aux normes ISO et NFPA.
Gammes principales
Série HMI (ISO 6020/2) : vérins industriels compacts à tirants, réputés pour leurs étanchéités haute performance à faible frottement et leur amortissement de fin de course progressif.
Séries 2H / 3H : vérins pour applications lourdes capables de supporter des pressions de service allant de 210 à 300 bar.
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