Les systèmes à détection de charge (Load Sensing, ou LS) ont été développés pour affranchir la commande de la pression de charge et réduire les pertes de puissance. Résultat : des circuits plus efficaces et plus simples à piloter, grâce à des pompes régulées par la pression de charge qui s'ajustent en permanence aux conditions de travail.
Bloc-distributeur mobile proportionnel Load Sensing Parker.
Grâce à la compensation de la pression de charge, le pilotage des machines est simplifié. Les applications sont nombreuses : engins de chantier, machines forestières, équipements de forage, grues, chariots élévateurs, ainsi que des applications stationnaires.
La détection de charge consiste à mesurer la charge à partir de la pression de charge. Ce signal de pression de charge — généralement appelé signal LS — sert à réguler la pompe et les compensateurs de pression.
Pour une correction correcte, il faut toujours enregistrer et transmettre la pression de charge la plus élevée. La pression est relevée au niveau de l'orifice de travail concerné, au moyen de perçages dans les tiroirs des distributeurs directionnels, puis transmise au régulateur de pompe via des clapets navettes (sélecteurs de circuit). En fonctionnement parallèle, ces clapets navettes garantissent que c'est toujours la pression de charge la plus élevée qui est transmise au régulateur de pompe.
Transmission du signal LS au régulateur de pompe par clapet navette.
Le régulateur de pompe
Le régulateur de pompe est un régulateur dit à cylindrée variable qui contrôle la différence de pression ΔpLS. Il est conçu de sorte que la pression de pompe pP dépasse toujours le signal de détection de charge pLS d'une certaine valeur (par exemple 10 bar) :
ΔpLS = pP − pLS
Cette différence de pression ΔpLS permet d'acheminer l'huile à travers les résistances des conduites et du bloc de commande. Le régulateur maintient ΔpLS constante : toute variation de la pression de charge entraîne donc une variation équivalente de la pression de pompe.
Exemple
Pression de charge d'un vérin pLS = 100 bar, différence de pression ΔpLS = 10 bar.
Pression de pompe : pP = pLS + ΔpLS = 100 + 10 = 110 bar.
En pratique, cela signifie que la pression de pompe ne doit, si possible, dépasser la pression de charge la plus élevée du système que de 10 bar. La force du ressort de rappel du régulateur détermine ΔpLS ; elle se règle par une vis. Selon les résistances des conduites et des blocs de commande, ΔpLS varie généralement entre 10 et 22 bar.
Bilan énergétique
Pour mettre en évidence les écarts d'énergie, trois systèmes sont comparés :
- A. Pompe à cylindrée fixe avec limiteur de débit (débit constant)
- B. Pompe régulée en pression avec limiteur de débit (pression constante)
- C. Pompe régulée en cylindrée avec limiteur de débit (détection de charge / Load Sensing)
A. Pompe à cylindrée fixe (débit constant)
Une pompe à cylindrée fixe délivre toujours le même débit ; la pression est déterminée par les charges et les résistances, et la pression maximale par le limiteur de pression. Débit refoulé : 100 l/min, pression maxi limitée à 200 bar. Le vérin est chargé à 50 bar et l'étrangleur réglé pour 25 l/min. Le volume non utilisé par le vérin est déchargé au réservoir via le limiteur de pression.
Puissance d'entraînement : Pentr. = 200 bar · 100 l/min / 600 = 33 kW
Puissance utile : Putile = 50 bar · 25 l/min / 600 = 2 kW
Perte (limiteur de pression) : Pperte 1 = 200 bar · 75 l/min / 600 = 25 kW
Perte (étrangleur) : Pperte 2 = (200 − 50) bar · 25 l/min / 600 = 6 kW
Sur 33 kW fournis, seuls 2 kW servent au mouvement de travail ; 31 kW sont convertis en chaleur (rendements de pompe non pris en compte).
B. Pompe régulée en pression (pression constante)
Une pompe régulée en pression ne refoule que le débit nécessaire au maintien de la pression réglée. Débit variable de 0 à 100 l/min, pression maxi réglée à 200 bar. Vérin chargé à 50 bar, étrangleur réglé pour 25 l/min. Le volume refoulé est limité au débit qui s'écoule réellement vers le vérin.
Puissance d'entraînement : Pentr. = 200 bar · 25 l/min / 600 = 8 kW
Puissance utile : Putile = 50 bar · 25 l/min / 600 = 2 kW
Perte (étrangleur) : Pperte 2 = (200 − 50) bar · 25 l/min / 600 = 6 kW
Sur 8 kW fournis, 2 kW servent au travail et seulement 6 kW partent en chaleur. Une amélioration considérable par rapport à la pompe à cylindrée fixe.
C. Pompe régulée en cylindrée (Load Sensing)
Une pompe régulée en cylindrée ne refoule que le débit nécessaire au maintien de la différence de pression réglée ΔpLS, déterminée par le ressort de rappel. La pression du système reste toujours supérieure de 10 bar à la pression de charge ; la pression maxi est limitée par un limiteur ou un régulateur de pression additionnel. Débit variable de 0 à 100 l/min, Δp réglée à 10 bar. Vérin chargé à 50 bar, étrangleur réglé pour 25 l/min.
Puissance d'entraînement : Pentr. = (50 + 10) bar · 25 l/min / 600 = 2,5 kW
Puissance utile : Putile = 50 bar · 25 l/min / 600 = 2,1 kW
Perte (étrangleur) : Pperte 2 = (60 − 50) bar · 25 l/min / 600 = 0,4 kW
Sur 2,5 kW fournis, 2,1 kW servent au travail et seulement 0,4 kW part en chaleur. Nouvelle amélioration considérable par rapport au système à pression constante.
Bilan énergétique comparatif
Pour un besoin de 25 l/min sous une charge de 50 bar, avec une pompe dimensionnée à 100 l/min :
| Architecture système | Puissance fournie | Puissance utile | Perte (chaleur) | Rendement théorique |
|---|---|---|---|---|
| Pompe fixe + limiteur | 33 kW | 2 kW | 31 kW | ≈ 6 % |
| Pression constante | 8 kW | 2 kW | 6 kW | 25 % |
| Load Sensing (LS) | 2,5 kW | 2,1 kW | 0,4 kW | ≈ 84 % |
Principe du Load Sensing
Pour comprendre cette commande hydraulique, quelques bases sont nécessaires. Le débit traversant un distributeur directionnel — et donc la vitesse de l'actionneur — dépend de deux facteurs : la section d'ouverture et la différence de pression de part et d'autre de cette section.
Plus la section (A) est grande et plus la différence de pression (Δp) est élevée, plus le débit (q) est important :
qV = αD · A · √(2/ρ) · √Δp
Le facteur αD est un coefficient de débit et de viscosité qui prend en compte les propriétés de l'huile. Un exemple permet d'illustrer la relation entre section, différence de pression et débit.
A. Système à pression constante
Système à pression constante : le débit chute quand la charge augmente.
L'ouverture du distributeur correspond à un perçage d = 5 mm, la pression du système est de 100 bar, et la charge sur le vérin varie avec le remplissage (donc avec la pression de charge). À partir de la formule qV = αD · A · √(2/ρ) · √Δp, on calcule le débit en l/min (avec A = d²·π/4). Le calcul exact dépend de facteurs supplémentaires non détaillés ici : pour les distributeurs hydrauliques, les débits sont mesurés, car les calculs sont complexes (conditions d'écoulement et géométrie interne du corps).
On constate qu'à mesure que la charge augmente, la différence de pression Δp — et donc le débit — diminue de plus en plus. En pratique, à ouverture de valve identique, le vérin se déplace plus vite à vide qu'en charge.
B. Système à détection de charge (Load Sensing)
Avec le Load Sensing, la différence de pression Δp au point d'étranglement est maintenue constante (par exemple 10 bar). Pour cela, la pression de charge est relevée et transmise au régulateur de cylindrée de la pompe.
La pression de charge agit, avec le ressort de rappel, sur le piston d'actionnement, tandis que la pression de pompe agit sur la même surface. Associée au ressort, la pression de charge tend à augmenter le débit refoulé (→ qmax). Si la pression de pompe pP dépasse la pression de charge additionnée de la force du ressort, le débit refoulé diminue (→ qmin). La pression en amont de l'étrangleur reste ainsi toujours supérieure de 10 bar à la pression de charge. La force du ressort de rappel détermine Δp au point d'étranglement.
Système Load Sensing : le débit reste constant quelle que soit la charge.
L'ouverture du distributeur correspond à d = 5 mm, le régulateur de cylindrée est réglé sur Δp = 10 bar, et la charge varie avec le remplissage. Lorsque la charge augmente, Δp reste constante à 10 bar : le débit reste donc lui aussi constant. En pratique, à ouverture identique, le vérin avance aussi vite à vide qu'en charge. Ce comportement s'appelle la compensation de la pression de charge.
Balance de pression (compensateurs de pression)
En hydraulique mobile, on effectue souvent deux mouvements simultanément. Les charges des actionneurs étant la plupart du temps différentes, les pressions de charge le sont aussi. La pression pP dépasse toujours la pression de charge de l'actionneur le plus chargé de la valeur ΔpLS. Dans ce cas, la différence de pression Δp1 au niveau de l'actionneur le moins chargé est plus élevée.
Deux actionneurs aux pressions de charge différentes sur un même circuit LS.
Les sections de passage correspondent à d = 5 mm, le régulateur de cylindrée est réglé sur Δp = 10 bar, et la pression de charge du vérin 2 passe de 20 à 100 bar au cours du cycle, tandis que celle du vérin 1 reste à 20 bar. On note que le débit qV1 augmente fortement quand la pression de charge p2 augmente, alors que qV2 reste constant grâce à la compensation :
| pP (bar) | pL1 (bar) | pL2 (bar) | Δp1 (bar) | Δp2 (bar) | q1 (l/min) | q2 (l/min) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 30 | 20 | 20 | 10 | 10 | 42 | 42 |
| 60 | 20 | 50 | 40 | 10 | 84 | 42 |
| 85 | 20 | 75 | 65 | 10 | 103 | 42 |
| 110 | 20 | 100 | 90 | 10 | 127 | 42 |
En fonctionnement, ce comportement est très pénalisant. Pour un comportement idéal, il faut donc assurer une compensation individuelle de la pression de charge pour chaque actionneur. Le schéma suivant illustre un système doté de compensateurs individuels.
Compensateur de pression : tiroir symétrique, surfaces de commande et ressort.
La compensation individuelle est réalisée au moyen d'un compensateur de pression par actionneur, qui maintient constant le différentiel de pression ΔpV aux ouvertures du distributeur concerné.
Le compensateur comprend un tiroir symétrique (1), soumis sur la section AK (2) à la pression en amont de l'orifice du distributeur, et sur l'autre section AK (3) à la pression de charge pL, ainsi qu'à un ressort de commande (4). Le compensateur est ouvert par la pression de charge pL et le ressort (4) ; il est fermé par la pression en amont de l'orifice du distributeur pV.
Ressort de commande (4) = 10 bar et pression de charge pL = 20 bar : le compensateur s'ouvre donc à 30 bar. La pression pP = 100 bar est disponible en amont du distributeur grâce à l'ouverture du compensateur.
Cependant, la pression en amont de l'orifice agit sur la section du tiroir (2) et ferme le compensateur dès que 30 bar sont atteints. Les rainures d'étranglement (5) du compensateur (DW) brident le débit d'huile et génèrent une chute de pression ΔpDW. Avec ΔpDW = 70 bar, une pression de 30 bar (100 − 70) est disponible en amont de l'orifice du distributeur, et le compensateur cesse de se fermer dès que les forces sur le tiroir (1) s'équilibrent.
Si ΔpDW augmente au-delà, le compensateur se rouvre, car la pression de 30 bar n'est plus atteinte en amont de l'orifice : le compensateur est alors en position de régulation. La pression en amont de l'orifice est régulée à 30 bar ; la pression de charge pL valant 20 bar, le différentiel ΔpV à l'orifice est de 10 bar.
Lorsque la pression de charge ou la pression d'alimentation pP varie, le compensateur ajuste sa position de régulation jusqu'à retrouver ΔpV = 10 bar. Le compensateur compense ainsi l'ensemble des variations de pression et, grâce au ressort, maintient constant le différentiel ΔpV au niveau de l'orifice de mesure A1.
Système à compensateurs de pression individuels pour deux actionneurs.
Dans un système équipé de compensateurs, le réglage du régulateur de pompe doit être supérieur à celui d'un système sans compensateur, d'une valeur égale au différentiel de régulation. Le compensateur de l'actionneur 1 (pression de charge la plus basse) génère un différentiel ΔpDW = 90 bar et maintient ΔpV = pV1 − pL1 = 30 − 20 = 10 bar. Grâce aux compensateurs, le comportement pénalisant lié aux pressions de charge différentes disparaît, car ΔpV1 = ΔpV2 = 10 bar reste constant. Le compensateur de l'actionneur 2 (pression de charge la plus élevée) génère quant à lui ΔpDW = 10 bar.
Limites et surcharges des systèmes LS
Bien que très efficaces, les blocs-distributeurs Load Sensing présentent certaines contraintes techniques :
- Régime de non-saturation (débit pompe insuffisant) : si la demande cumulée en débit dépasse la capacité maximale de la pompe, la pression de pompe chute et les actionneurs les plus lourds s'arrêtent au profit des plus légers.
- Dynamique et stabilité : la ligne de signal LS crée un délai hydraulique pouvant engendrer des instabilités ou des pompages. Un amortissement dynamique est souvent nécessaire au paramétrage.
Les limites de la commande par détection de charge (LS) :
- dépendance à la charge en conditions non saturées — le système réagit alors comme une commande à centre ouvert (commande par étranglement) ;
- plage de réglage fin réduite à vitesse de pompe réduite ;
- système susceptible de vibrations, d'où une mise en service du prototype plus exigeante.
Références Parker principales
Série L90LS
Distributeur modulaire haut de gamme pour engins forestiers, pelles et nacelles.
| Pression max. | 320 bar |
| Débit max. / section | 90 l/min avec compensateur (125 l/min sans) |
→ Informations produit : Distributeurs Parker Série L90LS
Série K220LS / L120LS
Adaptée aux débits plus élevés : engins de chantier lourds et grues de forte capacité.
| Pression max. | 350 bar |
| Débit max. / section | jusqu'à 180 – 210 l/min |
Nouvelle gamme Série VA (VA118 / VA210 / VA300)
Nouvelle génération de blocs LS pré-compensés, modulaires et combinables entre eux pour optimiser la compacité sur les machines complexes.
| Pression max. | 370 bar |
| Débit max. | jusqu'à 450 l/min |
→ Informations produit : Distributeurs Parker Série VA
Sami Rekik
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