Caractéristiques de fonctionnement des moteurs hydrauliques - Cours de Mécanique industrielle avec Maxicours

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Caractéristiques de fonctionnement des moteurs hydrauliques

 Caractéristiques de fonctionnement des moteurs hydrauliques

Il existe plusieurs types de moteurs hydrauliques.

Ils diffèrent les uns des autres par:

  • leurs dimensions,
  • ainsi que par la quantité et la nature de leurs pièces mobiles internes.

Malgré ces distinctions, les moteurs remplissent essentiellement le même rôle, celui de transmettre un mouvement de rotation à une charge.

Cette étude vous présente:

  1. les caractéristiques de fonctionnement,
  2. les équations de base régissant les moteurs hydrauliques.

Couple (T) des moteurs hydrauliques

Le couple est la capacité d'une force à engendrer un mouvement de rotation. Il n'est pas nécessaire qu'il y ait un mouvement de rotation pour qu'un couple existe.

Si le couple est suffisamment élevé pour vaincre les frottements et la résistance de la charge à entraîner, un mouvement de rotation est alors engendré.

L'unité utilisée pour exprimer le couple est, dans le système métrique, le newton-mètre (N · m) ou le joule (J).

Le couple fourni par un moteur hydraulique dépend de deux importants facteurs :

  • la cylindrée (C) du moteur,

La cylindrée d'un moteur est le volume ou la quantité de fluide qu'il faut fournir à un moteur pour que son arbre d'accouplement effectue une rotation complète (360°).

Le fluide fourni au moteur entraîne le déplacement des pièces mobiles internes de ce dernier, entraînant ainsi le déplacement de l'arbre d'accouplement du moteur.

La cylindrée des moteurs est exprimée en centimètres cubes par rotation (cm3/tr). Plus la cylindrée d'un moteur est élevée, plus les dimensions du moteur sont grandes.

  • la chute de pression (∆p) entre les deux orifices du moteur.

C'est la chute ou la différence de pression (∆p) que le fluide hydraulique subit en passant de l'orifice d'admission à l'orifice de refoulement du moteur.

La figure 2.1 vous présente un exemple de la différence ou chute de pression produite entre les orifices d'un moteur hydraulique.

Figure 2.1     Chute de pression entre les orifices d'un moteur hydraulique.

La chute de pression (∆p) qui existe entre les orifices d'admission et de refoulement du moteur de cette figure est de , car la pression à l'admission est de  et la pression à l'orifice de refoulement est de 0 Pa (50 · 105 Pa - 0 Pa) = 50 · 105 Pa.

La pression de 50.105 Pa est due à la force (F) qui s'oppose à la rotation de l'arbre du moteur.

Le fluide fourni par la pompe ne peut donc pas circuler librement entre l'orifice d'admission et celui de refoulement du moteur. Cette résistance à l'écoulement du fluide dans le moteur génère ainsi une pression de 50 · 105 Pa du côté de l'admission du moteur.

La charge à entraîner par le moteur provoque la montée de pression.

Equation servant à calculer le couple théorique d'un moteur hydraulique :

Ou :

Figure 2.1 bis.

En examinant cette équation, on s'aperçoit que le couple est directement proportionnel à la cylindrée (C) du moteur et à la chute de pression (∆p) qui existe entre les orifices d'admission et de refoulement du moteur.

Voici un exemple de calcul du couple d'un moteur hydraulique.

Problème

Calculer le couple théorique fourni par un moteur hydraulique dont la cylindrée est de 50 cm3/tr et où il y a une chute de pression de 1 500 kPa aux bornes du moteur.

Calculer le couple théorique (en N · m)

Vitesse de rotation (N) des moteurs hydrauliques

La vitesse de rotation d'un moteur hydraulique dépend de la quantité d'huile qui lui est fournie ainsi que de la cylindrée du moteur. La vitesse de rotation est obtenue en remaniant l'équation du débit comme suit :

Donc :

Figure 1.5 ter.

En examinant cette équation:

  1. on s'aperçoit que la vitesse de rotation est directement proportionnelle au débit qui lui est fourni.
  2. Par contre, la vitesse de rotation est inversement proportionnelle à la cylindrée du moteur hydraulique.
Par exemple, si un débit de 25 l/min est fourni par une pompe à un moteur de 50 cm3/tr de cylindrée, la vitesse de rotation de ce moteur sera la suivante :

 1 litre = 1 000 cm3

Si cette même pompe fournit toujours 25 l/min, mais à un moteur dont la cylindrée est de 25 cm3/tr, la vitesse de rotation de ce plus petit moteur sera la suivante :

Pour un même débit, un moteur de petite cylindrée tournera donc plus vite qu'un moteur de grosse cylindrée, puisque le moteur de grosse cylindrée requiert plus de débit pour permettre à son arbre d'effectuer un tour complet.

Le couple d'un moteur est directement proportionnel à la cylindrée du moteur. Par contre, la vitesse de rotation est inversement proportionnelle à la cylindrée du moteur.

Pour cette raison, on regroupe les moteurs hydrauliques sous les deux catégories suivantes :

  • les moteurs lents à couple élevé ;

Ces moteurs sont souvent appelés "LSHT", venant de l'expression anglaise Low Speed High Torque. Ces moteurs ont une cylindrée relativement élevée.

  • les moteurs rapides à faible couple.

Ces moteurs sont souvent appelés "HSLT", de High Speed Low Torque. Ces moteurs ont une cylindrée relativement basse.

Puissance (P) des moteurs hydrauliques

Un moteur hydraulique transforme la puissance hydraulique, qui lui est fournie par la pompe, en puissance mécanique.

La puissance hydraulique est appelée "puissance d'entrée" au moteur et la puissance mécanique à l'arbre du moteur est appelée "puissance de sortie" du moteur.

 La puissance hydraulique est calculée à l'aide de l'équation suivante :

La puissance mécanique d'un mouvement de rotation est calculée à l'aide de l'équation suivante :

 

La figure 2.2 vous résume, à l'aide d'un schéma, les notions de puissance hydraulique et de puissance mécanique d'un moteur hydraulique.

Figure 2.2     Notions de puissance - Moteur hydraulique.

Rendement volumétrique  des moteurs hydrauliques

Les moteurs hydrauliques transforment l'énergie hydraulique en énergie mécanique.

Aucun système ne peut transformer l'énergie d'une forme à une autre sans qu'il n'y ait de pertes.

Dans un moteur hydraulique, les pertes sont occasionnées par des fuites d'huile internes entre les interstices des pièces mobiles du moteur.

On parle alors de fuites volumétriques.

Certains moteurs ont des fuites internes plus importantes que d'autres, ce qui leur confèrent un rendement volumétrique faible.

Rendement mécanique  des moteurs hydrauliques

Le couple réel fourni par un moteur est toujours inférieur au couple théorique.

Cette différence est due:

  • aux pertes que subit le couple théorique pour vaincre le frottement visqueux,
  • et le frottement dynamique à l'intérieur du moteur.

Le rendement mécanique représente le pourcentage du couple théorique disponible à l'arbre d'un moteur pour entraîner une charge.

Un rendement mécanique de 90 % indique que 90 % du couple théorique est disponible pour entraîner une charge et que les 10 % restants sont utilisés pour vaincre les forces de frottement.

Rendement total  des moteurs hydrauliques

Le rendement total d'un moteur hydraulique tient compte à la fois des pertes volumétriques et des pertes mécaniques.

Le rendement total d'un moteur est le produit du rendement volumétrique et du rendement mécanique.

Ou :

Le rendement total d'un moteur hydraulique peut également être connu en pourcentage par le rapport de sa puissance de sortie (ou puissance mécanique) sur sa puissance d'entrée (ou puissance hydraulique).

L'équation utilisée est alors la suivante :

En résumé sur les caractéristiques de fonctionnement des moteurs hydrauliques

A la suite de cette étude, vous devriez retenir plus particulièrement les points suivants :

• Un moteur hydraulique est entraîné en rotation par le débit fourni par la pompe.

• Un moteur hydraulique transforme l'énergie hydraulique ou fluidique en énergie mécanique.

• Il n'est pas nécessaire qu'il y ait un mouvement de rotation pour qu'un couple existe. Si le couple est suffisamment élevé pour vaincre les frottements et la résistance de la charge à entraîner, un mouvement de rotation est alors engendré.

• Le couple est exprimé en newtons-mètres (N · m).

• Le couple fourni par un moteur hydraulique dépend de la cylindrée du moteur et de la chute de pression existant entre les deux orifices du moteur.

• Le couple théorique d'un moteur hydraulique est calculé à l'aide de l'équation suivante :

• La vitesse de rotation d'un moteur est calculée à l'aide de l'équation suivante :

• Il existe deux catégories de moteurs hydrauliques :

- les moteurs lents à couple élevé (LSHT) ;

- les moteurs rapides et à faible couple (HSLT).

• Le rendement total d'un moteur hydraulique est le produit du rendement volumétrique et du rendement mécanique.

Vous connaissez maintenant les caractéristiques de fonctionnement des moteurs hydrauliques.

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