Dans une vanne de régulation de pression, le réglage de la pression s’effectue généralement en ajustant la force de précharge du ressort de rappel à l’aide d’une vis de réglage. La pression varie en fonction du sens de rotation de la vis.

Figure 11-1 : Vanne de régulation de pression normalement fermée. La vis de réglage fixe la précharge du ressort, ce qui détermine la pression à laquelle le tiroir se soulève et la vanne s’ouvre.
Dans les systèmes hydrauliques, les valves de régulation de pression normalement fermées présentent plusieurs applications. Outre leur utilisation comme valves de sécurité du système, elles peuvent également commander la séquence des actions — c’est-à-dire contrôler le déclenchement d’une action avant une autre. Elles peuvent aussi servir à équilibrer des forces mécaniques externes.
Une valve de régulation de pression normalement fermée qui commande le déclenchement d’une action avant une autre est appelée une valve séquentielle.
Dans un circuit hydraulique qui assure à la fois le serrage et le perçage, le vérin de serrage doit se déplacer en premier, avant le vérin de perçage. Pour obtenir cet ordre d’action, la valve séquentielle est placée dans le circuit juste avant le vérin de perçage. Le ressort de la valve séquentielle empêche l’obturateur de relier les passages primaire et secondaire tant que la pression n’a pas atteint une valeur suffisante pour vaincre la force du ressort ; jusqu’à ce moment, l’écoulement vers le vérin de perçage reste bloqué. Ainsi, le vérin de serrage se déplace en premier. Lorsque le dispositif de serrage entre en contact avec la pièce à usiner, la pompe doit fournir une pression plus élevée afin de surmonter la résistance. Cette augmentation de pression dépasse alors la pression pilote agissant sur l’obturateur de la valve séquentielle, ce qui permet la liaison des passages primaire et secondaire et l’acheminement du débit vers le vérin de perçage — ce dernier commence alors à se déplacer.

Figure 11-2 : Circuit avec valve séquentielle. En bloquant l’écoulement vers le vérin de perçage jusqu’à ce que la pression du système augmente suffisamment, la valve séquentielle garantit que le serrage s’effectue toujours en premier, avant le début du perçage.
Une vanne de régulation de pression normalement fermée, utilisée pour équilibrer ou soutenir une charge (par exemple, un plateau de presse), est appelée vanne d’équilibre.
Dans un circuit de presse, lorsque la vanne directionnelle envoie un débit vers l’extrémité aveugle du vérin, le plateau de presse relié à la tige du piston chute de façon incontrôlée sous l’effet de la gravité, et le débit de la pompe est aspiré jusqu’à tarissement. Pour éviter ce phénomène, une vanne de pression normalement fermée est installée en aval du vérin de presse. Le tiroir de la vanne n’ouvre le passage principal vers secondaire que lorsque la pression en fond dépasse la pression générée par le poids du plateau. Autrement dit, lors de l’alimentation en huile de l’extrémité aveugle du vérin, cette solution équilibre le poids du plateau tout au long de toute la course descendante.
La valve de contre-pression peut également servir à freiner le mouvement rotatif d’un moteur hydraulique chargé. Dans le cas d’un moteur hydraulique entraînant des roues lourdes, une fois que celles-ci acquièrent de l’élan, le moteur risque de tourner à vitesse excessive (emballement). Si une valve de contre-pression est installée à la sortie du moteur, celle-ci ne s’ouvre que lorsque la pression en sortie atteint la valeur réglée. Cette contre-pression s’oppose à la force générée par la conversion de l’élan rotatif des roues lourdes.

Figure 11-3 : Valve de contre-pression. (En haut) Empêche le plateau de presse de tomber de façon incontrôlée. (En bas) Empêche le moteur chargé de tourner à vitesse excessive lorsque la charge entraîne le moteur.
Une soupape de sécurité simple se compose essentiellement d’un corps de valve équipé d’un tiroir maintenu par un ressort rigide. Lorsque la pression du côté du tiroir opposé au ressort augmente suffisamment, le tiroir se déplace et ouvre un passage permettant de dévier le débit de la pompe vers le réservoir.
Dans le circuit exemple, la valve de sécurité simple est réglée de sorte que, lorsque la pression à la sortie de la pompe atteint 1 000 psi (68,97 bar), un débit de décharge de 10 gpm (37,9 l/min) s’établit. Cela ne signifie pas que la valve s’ouvre brusquement à 1 000 psi ; en réalité, à des pressions inférieures à 1 000 psi (68,97 bar), la valve commence à s’ouvrir à partir d’un point de pression faible, déviant une partie du débit vers le réservoir. À mesure que la pression s’approche de 1 000 psi (68,97 bar), l’ouverture augmente progressivement afin de laisser passer davantage de débit vers le réservoir. Au point de consigne de 1 000 psi (68,97 bar), l’ouverture de l’orifice est suffisamment grande pour permettre le passage intégral du débit de 10 gpm (37,9 l/min). Lorsque la pression du système chute en dessous de la pression d’ouverture de la valve de sécurité, le passage vers le réservoir créé par l’ouverture de la valve disparaît du circuit.

L’ouverture d’une valve de sécurité constitue essentiellement une fonction d’orifice. Comme tout dispositif à orifice, le débit qui le traverse est affecté par la température du fluide, et donc par sa viscosité.
Pour qu’une soupape de décharge réglée à 1 000 psi (68,97 bar) dévie un débit de 10 gpm (37,9 l/min), on suppose que la viscosité de l’huile reste constante. À température ambiante, la viscosité de l’huile du réservoir d’équipement est comprise entre 400 et 500 SUS (86,3 à 107,9 cSt). À cette viscosité, le réglage de la soupape de décharge du système à 1 000 psi (68,97 bar) permet de dévier un débit de 10 gpm (37,9 l/min) par l’ouverture de l’orifice. Une fois que l’huile s’est échauffée, la pression de la pompe peut être limitée à 900 psi (62 bar) ou moins. En effet, lorsque la température de l’huile augmente, sa viscosité diminue — par exemple jusqu’à 100 SUS (21,6 cSt). Cela signifie qu’une force de pression moindre suffit pour faire passer un débit de 10 gpm (37,9 l/min) par l’ouverture de la soupape de décharge vers le réservoir.
L’effet inverse se produit lorsque la soupape de décharge est réglée à la viscosité de fonctionnement : au démarrage de la pompe, la température de l’huile est faible et sa viscosité élevée, ce qui peut entraîner une pression de pompe atteignant 1 100 psi (75,9 bar). Pour les systèmes dotés de limites strictes de pression maximale de pompe, il convient de préchauffer le système avant de régler la soupape de décharge.

Figure 11-5 Effet de la température sur le réglage de la valve de sécurité. L’huile froide (à forte viscosité) nécessite une pression plus élevée pour assurer le même débit. Réchauffez toujours le système avant de régler la valve de sécurité.
L'usure de la pompe affecte également le réglage de la valve de sécurité. Pour une valve de sécurité réglée pour dévier 10 gpm (37,9 l/min) à 1 000 psi (68,97 bar), tant qu'une pression de 1 000 psi (68,97 bar) est fournie au raccord d'entrée de la valve, un débit de pompe de 10 gpm (37,9 l/min) peut être dévié par l'orifice de la valve vers le réservoir. À mesure que pompe hydraulique s'use, son débit de sortie diminue ; le débit à travers la valve de sécurité diminue également, ce qui entraîne également une chute de pression. Pour une valve réglée à 1 000 psi (68,97 bar) afin de dévier 10 gpm (37,9 l/min), lorsque le débit dévié chute à 5 gpm (18,95 l/min) en raison de l'usure de la pompe, la pression de la valve de sécurité du système ne peut atteindre que 900 psi (62 bar). Lors du réglage de la valve de sécurité, des situations similaires se produiront.


La pression d'ouverture est la pression à laquelle la soupape de sécurité commence à ouvrir son passage de dérivation. Pour une soupape de sécurité simple, cette pression est légèrement inférieure à la valeur de réglage de la soupape de sécurité. Les soupapes de sécurité simples présentent la caractéristique d'une pression d'ouverture anticipée.
Sur le diagramme de la courbe de performance d'une soupape de sécurité simple, la soupape est réglée pour dériver un débit de 10 gpm (37,9 l/min) à 1 000 psi (68,97 bar). La courbe montre que la soupape s'ouvre à 800 psi (55,2 bar) et qu'à mesure que la pression s'approche de 1 000 psi (68,97 bar), le débit de dérivation augmente — finalement, à 1 000 psi (68,97 bar), l'ouverture de l'orifice est suffisamment grande pour permettre le passage de 10 gpm (37,9 l/min).
La pression d'ouverture anticipée de la valve de sécurité constitue un inconvénient pour le système. Supposons que la pompe/moteur produise 750 psi (51,7 bar) et débite 10 gpm (37,9 lpm) vers l'actionneur, où 550 psi (37,9 bar) sont nécessaires pour la charge et les 200 psi restants (13,8 bar) permettent de vaincre la résistance hydraulique. En utilisant une simple valve de sécurité réglée à 1 000 psi (68,97 bar), à ce stade la valve reste fermée et toute l'huile sous pression est dirigée directement vers la charge utile.
Si la pression de charge augmente jusqu'à 700 psi (48,28 bar), la pompe/moteur doit augmenter sa pression de sortie à 900 psi (62,1 bar) (en supposant un débit de sortie constant). Comme la pression d'ouverture de la valve de sécurité est de 800 psi (55,2 bar), à la pression actuelle de la pompe, 5 gpm (18,95 lpm) sont déviés, ce qui signifie que l'actionneur reçoit moins que le débit total de la pompe, et que l'action s'achève à une vitesse réduite. Parallèlement, l'huile traverse l'orifice de la valve de sécurité et génère une chaleur superflue.
Si la pression de charge est de 750 psi (51,7 bar), la pompe/moteur doit produire 950 psi (65,5 bar) — une pression encore plus élevée avec un débit supplémentaire dévié par l’orifice de la soupape de sécurité, ce qui réduit davantage la vitesse de l'actionneur et génère encore plus de chaleur inutile.

Figure 11-7 Effet de la pression de pré-fissuration. La soupape de sécurité simple commence à dévier le débit avant que la pression réglée ne soit atteinte, ce qui réduit la vitesse de l'actionneur et gaspille de l'énergie sous forme de chaleur aux pressions intermédiaires de charge.
La soupape de commande de pression normalement fermée a ses orifices primaire et secondaire déconnectés en position normale et détecte la pression à l'orifice primaire. La soupape de pression normalement ouverte a ses orifices primaire et secondaire connectés en position normale et détecte la pression à l'orifice secondaire.
La soupape réductrice est généralement une soupape de commande de pression normalement ouverte.
Une vanne réductrice fonctionne en détectant la pression en aval de la vanne. Lorsque la pression en aval atteint la valeur réglée de la vanne, le tiroir se ferme partiellement, formant un orifice qui convertit l’énergie excédentaire de la pression amont en chaleur. Si la pression en aval diminue, le tiroir s’ouvre davantage, permettant ainsi à la pression de remonter.
Le circuit de serrage illustré exige que le vérin de serrage B exerce une force inférieure à celle du vérin de serrage A. Pour y parvenir, une vanne réductrice est installée juste avant le vérin de serrage B afin de réduire la pression alimentant ce vérin à la valeur réglée de la vanne réductrice. À ce point de pression réglé, l’action du tiroir de la vanne réductrice crée une fonction d’orifice, convertissant l’énergie excédentaire de la pression amont en chaleur. Le vérin B effectue le serrage à la pression réduite.
La pression au niveau du raccord secondaire de la vanne réductrice, aux conditions de débit nominal, est inférieure à celle observée à débit nul. La différence entre ces deux pressions réduites constitue le décalage de chute de pression statique de la vanne réductrice. Cette chute statique est une caractéristique intrinsèque de la vanne réductrice qui explique davantage pourquoi la pression augmente avec le débit. Une vanne réductrice de débit nominal de 15 gpm (56,85 l/min), fonctionnant à son débit nominal et à sa pression de service nominale, présente un décalage de chute de pression statique d’environ 50 psi (3,45 bar), tandis qu’une vanne réductrice de débit nominal de 100 gpm (379 l/min) peut présenter un décalage de chute de pression statique allant jusqu’à 150 psi (10,3 bar).


Figure 11-9 : Chute de pression statique de la vanne réductrice. La pression en sortie est légèrement inférieure en présence d’un débit qu’au moment où le débit cesse. Plus le débit nominal de la vanne est élevé, plus ce décalage est important.
Lorsque la tige de la soupape de régulation de pression se déplace à l'intérieur du corps de la soupape, une partie de l'huile sous pression fuit vers la cavité située au-dessus de la tige. Pour que la soupape fonctionne correctement, cette cavité située au-dessus de la tige doit évacuer en continu l'huile afin d'éviter tout blocage de son déplacement. L'évacuation est assurée par la création d'un canal d'évacuation à l'intérieur du corps de la soupape, relié au réservoir.
Si le port secondaire de la soupape de pression est raccordé au réservoir — comme c'est le cas pour les soupapes de sécurité et les soupapes anti-chute — le canal d'évacuation est relié en interne au port secondaire (port de retour). On parle alors d'évacuation interne.
Si le port secondaire de la soupape de pression est un port sous pression (port de travail), comme c'est le cas pour les soupapes séquentielles et les soupapes réductrices, le canal d'évacuation constitue une ligne distincte menant au réservoir. On parle alors d'évacuation externe. Les soupapes séquentielles et les soupapes réductrices sont généralement des soupapes de régulation de pression à évacuation externe.
Jusqu'à présent, la détection de pression s'effectuait par des passages situés à l'intérieur du corps de la vanne. En général, pour les vannes normalement fermées, la détection a lieu au raccord primaire ; pour les vannes normalement ouvertes, elle a lieu au raccord secondaire. Ce type de détection de pression est appelé commande directe ou commande locale. Une vanne de régulation de pression peut également détecter la pression provenant d'une autre partie du système via un conduit externe : il s'agit alors de commande à distance ou commande pilote.

Figure 11-10 : La commande directe (à gauche) détecte la pression au niveau du raccord propre de la vanne. La commande à distance (à droite) permet à un signal de pression distant d'ouvrir ou de régler la vanne — utile notamment pour le vidage de l'accumulateur et la séquence d'actionnement de plusieurs vérins.
Une vanne de décharge est une vanne de régulation de pression normalement fermée et commandée à distance. Lorsque la pression du système au point de détection atteint une valeur préréglée, la vanne dévie le débit vers le réservoir.
Dans le circuit d’accumulateur équipé d’une valve de pression à commande directe, dès que l’accumulateur atteint la pression réglée sur la valve, le débit fourni par la pompe est dévié vers le réservoir à la pression de tarage de la valve de sécurité. Cette configuration entraîne une perte de puissance importante et génère une quantité considérable de chaleur superflue. En raccordant la ligne de commande à la valve de décharge située en aval de la clapet anti-retour, on fait en sorte que, lorsque l’accumulateur atteint la pression réglée sur la valve, la pression de commande ouvre cette dernière, dirigeant ainsi le débit de la pompe vers le réservoir à la pression minimale. À ce moment-là, la pompe n’a pas besoin de fournir une pression élevée pour maintenir la valve de décharge ouverte, car la pression de commande provient de l’accumulateur, isolé de la pompe par le clapet anti-retour. Comme la pression de la pompe est alors négligeable, les pertes de puissance le sont également.

Figure 11-11 : Circuit avec valve de décharge. Lorsque l’accumulateur est chargé, le clapet anti-retour l’isole de la pompe, tandis que la valve de décharge dévie le débit de la pompe vers le réservoir à une pression minimale — permettant ainsi d’économiser pratiquement toute la puissance de la pompe en mode veille.
Une valve d’équilibre à action directe installée en aval du vérin supportant la table de presse peut efficacement équilibrer ou annuler le poids de la table. Toutefois, pendant le processus de pressage, lorsque la table traverse le matériau, son poids ne doit pas s’ajouter à la force totale de pressage. Si cet effet n’est pas souhaité, la valve d’équilibre doit être commandée à distance, sa ligne de commande étant raccordée à la autre ligne de travail du vérin. Grâce à une valve d’équilibre commandée à distance, la table reste équilibrée pendant la course descendante, mais, pendant le processus de pressage, son poids peut contribuer à la force de pressage. Pendant toute la course descendante, en phase de course à vide, le poids propre de la table tend à entraîner la tige du vérin vers le bas ; la pression amont et la pression dans la ligne de commande chutent alors, ce qui provoque une tendance à la fermeture de la valve d’équilibre, augmentant ainsi la résistance et empêchant le débit de suivre la vitesse de descente. En revanche, pendant le processus de pressage, la haute pression amont sur la ligne de commande ouvre largement la valve d’équilibre, sans créer de contre-pression sur le côté tige, de sorte que le poids de la table peut effectivement s’ajouter à la force de pressage.
Remarque : Le circuit illustré est un schéma simplifié. Le circuit réel nécessite des améliorations pour assurer un fonctionnement stable.
Dans le circuit hydraulique du moteur illustré, une soupape de contre-pression à action directe est utilisée pour freiner l’inertie rotative de la charge lourde. La soupape de contre-pression est réglée à 800 psi (55,2 bar) et fournit constamment une pression de contre-pression à la charge en rotation, empêchant ainsi la vitesse de charge de dépasser le débit de la pompe et d’entraîner une sur-vitesse. Toutefois, cela signifie également que la pression d’entrée du moteur doit dépasser la pression de travail de la charge plus 800 psi (55,2 bar) — ceci constitue un inconvénient. Pour y remédier, on peut utiliser une soupape de freinage à la place.

Une soupape de freinage est une soupape de régulation de pression normalement fermée, dotée à la fois d’un orifice de commande directe et d’un orifice de commande à distance. Les deux méthodes de commande sont raccordées simultanément. Les soupapes de freinage sont couramment utilisées avec les moteurs hydrauliques et remplacent les soupapes de contre-pression à action directe dans les circuits hydrauliques de moteurs.
La valve de frein se compose d’un corps de valve, d’un tiroir, d’un piston de commande, d’un ressort de précharge et d’un dispositif de réglage du ressort. Le corps de valve comporte des canaux primaire, secondaire, de commande interne et de commande externe.
La valve de frein est une valve normalement fermée. Supposons que le ressort de précharge soit réglé pour une ouverture en commande directe à 800 psi (55,2 bar). Lorsque la pression dans le passage interne de commande atteint 800 psi (55,2 bar), le piston de commande se déplace vers le haut et pousse la tige de distribution, ouvrant ainsi la valve de frein. Lorsque la pression chute en dessous de 800 psi (55,2 bar), la valve se ferme. Ce fonctionnement est identique à celui d’une valve d’équilibre à action directe. La surface du piston de commande interne est nettement inférieure à la section transversale de la tige de distribution — le rapport des surfaces est généralement de 8:1. Le raccord de commande externe est généralement relié à l’autre conduite de travail du moteur. La pression externe agit sur l’extrémité opposée de la cavité du ressort de la tige de distribution — seulement 100 psi (6,89 bar) sont nécessaires pour ouvrir la valve, car cette pression s’exerce sur l’extrémité inférieure de la tige de distribution, dont la surface est huit fois supérieure à celle du piston de commande.
Supposons que la valve de frein soit réglée à 800 psi (55,2 bar) en commande directe. Lorsque la pression dans la conduite d’admission du moteur atteint 100 psi (6,89 bar), la valve de frein s’ouvre et la pression d’admission du moteur est entièrement utilisée pour entraîner la charge (en supposant que 100 psi / 6,89 bar soit supérieure). Si la charge dépasse sa vitesse nominale, la pression d’admission du moteur diminue, la valve de frein se ferme et la contre-pression de 800 psi (55,2 bar) se rétablit, augmentant ainsi la résistance et ralentissant la charge.
La valve de frein est une valve de régulation de pression normalement fermée. Son fonctionnement est directement lié aux besoins de la charge entraînée par le moteur.

Figure 11-13 : Valve de frein. Contrairement à une simple valve de contre-équilibrage, la valve de frein dispose à la fois d’une commande directe (interne) et d’une commande à distance (externe). Le rapport de surfaces de 8:1 signifie qu’une pression pilote externe de seulement 100 psi est nécessaire pour l’ouvrir — ce qui permet au moteur d’entraîner facilement la charge, tout en assurant un freinage par contre-pression de 800 psi lorsque la charge tend à dépasser sa vitesse maximale.
À l'exception des valves de décharge et des valves de vidange, toutes les valves de pression nécessitent généralement un écoulement en sens inverse pour pouvoir passer librement. Les valves de pression normalement fermées détectent la pression au niveau du port primaire : si l'écoulement s'inverse, la pression au port primaire chute, le tiroir se ferme et la liaison entre les ports primaire et secondaire est interrompue. Comme l'écoulement en sens inverse ne peut pas traverser les valves de pression normalement fermées, une valve de non-retour doit être utilisée pour contourner ce type de valve.
Les valves de pression normalement ouvertes détectent la pression au niveau du passage secondaire : tant que l'écoulement s'inverse, la pression en aval reste inférieure à la valeur réglée, et le passage de la valve reste toujours ouvert ; ainsi, aucune valve de non-retour en sens inverse n'est nécessaire. Toutefois, dans la pratique, dès que la pression au port secondaire dépasse la valeur réglée, le tiroir se ferme brusquement. À titre préventif, des valves de non-retour et des valves réductrices sont couramment utilisées conjointement afin d'assurer l'écoulement en sens inverse.

À partir de l'étude menée dans ce chapitre, nous pouvons résumer les règles fondamentales applicables aux valves de régulation de pression :

Figure 11-15 : Symboles graphiques pour toutes les valves de régulation de pression. Remarque : les valves de séquence et les valves de réduction comportent toujours des lignes d’écoulement externes (représentées par des lignes en pointillés vers le réservoir). Les valves de sécurité, les valves de décharge et les valves anti-chute utilisent un écoulement interne.
Principaux termes utilisés avec les valves de régulation de pression :