Avant d’aborder la transmission de l’énergie à travers les liquides, nous devons comprendre quelques propriétés des liquides et la manière dont la force se transmet à travers eux. Cela nous aidera à comprendre pourquoi les systèmes hydrauliques fonctionnent comme ils le font.

Douce

Un fluide est toute substance qui n’a pas de forme fixe. Les fluides comprennent à la fois les liquides et les gaz.

Liquide

Un liquide, tout comme un gaz, est constitué de molécules. Toutefois, contrairement à un gaz, les molécules d’un liquide sont fortement attirées les unes vers les autres — sans toutefois être liées si étroitement qu’elles occupent des positions fixes, comme dans un solide. C’est pourquoi un liquide s’écoule librement et prend la forme de son récipient.

Figure 2-1 : Les molécules d’un liquide (en bas) sont étroitement groupées et en mouvement constant, tandis que les molécules d’un gaz (en haut) sont très éloignées les unes des autres.

Énergie cinétique moléculaire

Les molécules situées à l’intérieur d’un liquide sont toujours en mouvement — même lorsque le liquide paraît parfaitement immobile. Elles glissent et se déplacent constamment les unes par rapport aux autres. Ce mouvement moléculaire est appelé énergie interne du liquide.

Les liquides prennent la forme de leur récipient

En raison de ce glissement moléculaire constant, un liquide s’écoule et remplit tout récipient qui le contient. Que la quantité de liquide soit importante ou faible, il occupe toujours la forme du récipient. Cette capacité est étroitement liée à la viscosité, traitée dans les chapitres ultérieurs.

Les liquides sont relativement incompressibles

Comme les molécules liquides sont étroitement groupées, les liquides se comportent, d’un point de vue important, comme des solides : ils sont relativement incompressibles — on ne peut pas les comprimer de façon significative pour réduire leur volume.

C’est pourquoi les plongeurs pénètrent dans l’eau pieds ou mains en premier (« entrée couteau ») plutôt que par la poitrine. L’eau ne peut pas s’écarter suffisamment vite lorsqu’elle est heurtée par une grande surface plane, et l’impact ressemble alors à une collision avec un solide. Les pieds ou les mains divisent l’eau sur une petite surface, et cette petite surface implique une force d’impact nettement moindre.

Du fait qu’un liquide est relativement incompressible et qu’il prend la forme de tout récipient qui le contient, il présente un avantage réel en matière de transmission de la force.

Transmission de force

Les quatre méthodes de transmission de l'énergie (mécanique, électrique, hydraulique et pneumatique) permettent toutes de transmettre à la fois une force statique (énergie potentielle) et une force dynamique (énergie cinétique). Lorsqu'une force statique est transmise dans un liquide, un phénomène particulier se produit.

Force transmise par un liquide

Contrairement à une force agissant sur un solide, une force appliquée à un liquide confiné est transmise dans tout le liquide sous forme de pression — et cette pression est identique en tout point du liquide.

Si nous poussons un piston mobile situé au sommet d'un récipient rempli de liquide, la force que nous appliquons génère une pression, qui se transmet uniformément dans toutes les directions à travers le liquide.

Peu importe la manière dont la pression a été créée — par un piston, une main, la gravité, un ressort, de l'air comprimé ou toute combinaison de ces éléments — dès qu'elle est présente à l'intérieur d'un liquide confiné, la force se transforme en pression et se transmet uniformément dans tout le liquide.

Comme un liquide prend la forme de n'importe quel récipient, la pression peut être transmise indépendamment de la forme du récipient.

La figure 2-4 montre comment la force exercée sur le piston se transforme en pression dans le liquide. Cette pression se répartit uniformément dans toutes les directions — c’est là le principe fondamental de l’hydraulique.

Loi de Pascal

La propriété d’un liquide à transmettre la pression uniformément dans toutes les directions est appelée loi de Pascal, du nom de son découvreur, Blaise Pascal.

La forme mathématique de la loi de Pascal est identique à la formule de pression introduite au chapitre 1 :

Manomètres

Un manomètre mesure la pression exercée sur le liquide dans le système. Les deux types les plus courants dans les systèmes hydrauliques sont le manomètre à tube de Bourdon et le manomètre à piston.

Manomètre à tube de Bourdon

Un manomètre à tube de Bourdon se compose d’un cadran et d’une aiguille. L’aiguille est reliée à un tube métallique courbé et flexible appelé tube de Bourdon. La pression du système pénètre dans le tube par l’orifice d’entrée. L’échelle est généralement graduée en psi, en bar ou en Pa.

Fonctionnement du tube de Bourdon

Lorsque la pression du système augmente, la différence de surface entre l’intérieur et l’extérieur du tube courbé tend à le redresser. Ce mouvement de redressement déplace l’aiguille sur le cadran pour indiquer la pression. Les manomètres à tube de Bourdon sont des instruments de précision dont la précision varie de 0,1 % à 3,0 % de l’échelle complète ; ils sont utilisés lors d’essais en laboratoire ou partout où la précision de la mesure de pression est critique.

Manomètre à piston

Un manomètre à piston se compose d’un piston, d’un ressort de rappel, d’une aiguille et d’une échelle. La pression du système agit sur la face du piston, le poussant contre le ressort. Le déplacement du piston entraîne l’aiguille sur le cadran. L’échelle est étalonnée en psi (bar). Les manomètres à piston sont robustes et économiques — un choix courant pour la surveillance quotidienne des systèmes.

Figure 2-6 Manomètre à piston : la pression du système pousse le piston contre un ressort. Le déplacement du piston déplace l’aiguille.

Conversion de la pression en force mécanique

Transmettre la pression via un liquide scellé n’est utile que si cette pression peut être reconvertie en force mécanique à un endroit donné. C’est précisément la fonction de l’actionneur (élément exécutif) — il reçoit la pression hydraulique et la convertit en force mécanique.

Un vérin hydraulique est un type d’actionneur.

Cylindre hydraulique

Un vérin hydraulique reçoit la pression hydraulique et la convertit en force mécanique rectiligne (linéaire). Grâce à des liaisons mécaniques appropriées, cette force peut également être transformée en mouvement de rotation.

Construction du vérin

Les parties fondamentales d’un vérin sont : le corps (tube), les bouchons d’extrémité, le piston, la tige de piston et les orifices d’entrée/sortie. Chaque extrémité comporte un bouchon d’extrémité. Le piston peut coulisser à l’intérieur du corps. La tige est fixée au piston. Les orifices d’entrée et de sortie situés à chaque extrémité du corps permettent à l’huile de travail d’entrer et de sortir.

Figure 2-8 : Section transversale d’un vérin hydraulique. L’huile entre par un orifice, pousse le piston et la tige se déplace vers l’extérieur. L’huile sortant par l’autre orifice retourne dans le réservoir.

Fonctionnement d’un vérin

Lorsque l’orifice d’entrée du vérin est raccordé au système, le vérin devient une partie intégrante de ce système. La pression provenant du point A se transmet à travers le système jusqu’au piston situé à l’intérieur du vérin. Cette pression, agissant sur la surface du piston, produit une force mécanique au point B — à l’extrémité de la tige.

En appliquant une pression

Lorsque la pression est transmise à travers un liquide confiné, une pièce mobile génère cette pression. Dans tous les exemples présentés jusqu’à présent, cette pièce mobile est un piston. En divisant la force par la surface du piston, on obtient la pression dans le système (P = F/A).

Multiplication de la force mécanique

L'hydraulique peut amplifier (multiplier) une force mécanique. Le facteur de multiplication dépend de la surface du piston du vérin hydraulique (en po² ou en cm²). Comme la pression est transmise uniformément à travers un liquide confiné, si la surface du piston de sortie est supérieure à celle du piston d'entrée, la force de sortie est supérieure à la force d'entrée.

Exemple : Une force de 5 000 lb (22 200 N) s'exerce sur un piston dont la surface est de 10 po² (64,52 cm²), générant une pression de :

Cette même pression de 500 psi s'exerce sur un piston de sortie de 15 po² (96,78 cm²) :

Figure 2-9 : Multiplication de la force mécanique. La même pression s'exerce sur les deux pistons, mais le piston plus grand produit une force plus importante. F = P × A.

Amplificateur de pression

Un amplificateur de pression (également appelé « booster ») permet d’augmenter la pression hydraulique. Il comporte deux pistons reliés par une tige unique, logés dans un boîtier unique comportant des orifices d’entrée, de sortie et de vidange. Le piston volumineux détecte la pression du système ; la force qu’il génère est transmise au piston plus petit, qui produit une pression de sortie plus élevée en raison de sa surface réduite.

Fonctionnement d’un amplificateur de pression

Le piston volumineux détecte la pression du système et transmet cette force, via la tige, au piston plus petit. Comme ce dernier présente une surface plus réduite, la pression de sortie à l’extrémité du piston plus petit est plus élevée — la pression est ainsi intensifiée.

Exemple : Une force de 5 000 lb (22 200 N) s’exerce sur le piston volumineux (surface : 15 po² / 96,78 cm²). Pression = 333 psi (22,9 bar). Cette force est transmise au piston plus petit (surface : 0,76 cm²). Pression de sortie = 5 000 lb / 0,76 cm² × (1/10 000) = 2 000 psi (137,9 bar). Force de sortie = 30 000 lb (133 200 N).

Un usage courant des amplificateurs de pression concerne les dispositifs de serrage.

Figure 2-11 : Amplificateur de pression. Le grand piston transmet sa force au petit piston, dont la surface est beaucoup plus petite — ce qui produit une pression nettement plus élevée en sortie.

Transmission d’énergie hydraulique

L’objectif de l’utilisation de l’hydraulique (ou de toute autre méthode de transmission d’énergie) dans une machine est d’accomplir un travail utile. Pour qu’un vérin accomplisse un travail, il doit exercer une force sur la charge et la déplacer sur une certaine distance — le système a donc besoin d’un composant capable d’utiliser de l’énergie pour fournir un débit continu de liquide.

Accumulateur hydraulique

Tout ce que nous avons examiné jusqu’à présent comme dispositif générant de la pression dans un liquide confiné utilise des pistons et des cylindres. Le piston exerce une force ; le cylindre assure l’étanchéité du liquide. Ce type de dispositif est appelé un accumulateur.

Un accumulateur peut stocker l’énergie potentielle d’un liquide sous pression. Cette énergie potentielle stockée peut être convertie en énergie de travail (débit et pression).

Exemple : Un accumulateur de 500 psi (34,5 bar) fournit la pression nécessaire pour pousser une charge. Sur les 500 psi stockés, 400 psi (27,6 bar) sont utilisés pour vaincre la résistance de la charge, et la pression restante se transforme en débit pour déplacer la charge.

Les accumulateurs présentent toutefois une limitation : si la charge est très importante, la pression disponible peut ne pas suffire à la vaincre, ce qui empêche toute réalisation de travail. En outre, une fois le liquide stocké entièrement libéré, il n’y a plus de débit.

Pour appliquer une pression suffisante afin de vaincre une charge et assurer continuellement un débit, un dispositif différent est requis : la pompe hydraulique à déplacement positif.

Figure 2-12 : Fonctionnement d’un accumulateur. La pression stockée peut permettre de pousser une charge, mais dès que le fluide est épuisé, le débit cesse — l’accumulateur ne peut pas, à lui seul, assurer un travail continu.

Pompe hydraulique à déplacement positif

Une pompe volumétrique produit un débit continu de liquide grâce à un mouvement interne alternatif ou rotatif répété. Elle fournit à la fois de l'énergie cinétique (débit) et de l'énergie de pression — l'énergie de travail nécessaire pour effectuer un travail hydraulique continu.

Pompe à piston alternatif

Une pompe à piston alternatif comporte un piston relié à un moteur d'entraînement (moteur thermique ou moteur électrique) par l'intermédiaire d'une manivelle ou d'une came. L'orifice d'admission et l'orifice de refoulement sont chacun équipés d'une valve anti-retour à bille. Lorsque le piston est tiré vers l'extérieur, le volume interne augmente, la bille d'admission s'ouvre et le liquide entre dans la pompe. Lorsque le piston est poussé vers l'intérieur, le volume diminue, la pression augmente, la bille d'admission se ferme et la bille de refoulement s'ouvre, ce qui pousse le liquide dans le système. Un mouvement continu aller-retour produit un débit pulsé ; la pression peut atteindre la valeur requise par le système.

Figure 2-13 : Pompe à piston alternatif. Le piston se déplace alternativement vers l'intérieur et vers l'extérieur, aspirant l'huile par la valve anti-retour d'admission et la refoulant par la valve anti-retour de refoulement.

Pompe volumétrique rotative

La pompe la plus courante dans les systèmes hydrauliques industriels est la pompe rotative à déplacement positif. Elle produit un débit relativement lisse et sous pression, et elle est facile à entraîner à l’aide d’un moteur électrique ou d’un moteur thermique. Chaque tour de l’élément tournant déplace un volume fixe de liquide.

Construction d’une pompe rotative

Une pompe rotative comporte un carter et un ensemble tournant. Le carter possède une entrée et une sortie. L’ensemble tournant génère le débit et la pression. L’exemple illustré comprend un rotor et des aubes pouvant coulisser librement dans et hors des rainures du rotor.

Fonctionnement d'une pompe rotative

L'ensemble rotatif est monté de façon excentrique (décalé par rapport au centre) à l'intérieur du carter et relié au moteur d'entraînement par l'arbre d'entraînement — le rotor tourne. Lorsque le rotor tourne, la force centrifuge pousse les ailettes vers l'extérieur contre la paroi du carter, formant ainsi des chambres étanches. Du côté de l'entrée, le volume de la chambre augmente et le liquide est aspiré. Du côté de la sortie, la chambre se rétrécit, la pression augmente et le liquide est refoulé hors du système. La pompe ne génère qu'une pression égale à la résistance minimale présente dans le système — rien de plus.

Figure 2-15 : Pompe à palettes rotatives. Les palettes, étanches contre la paroi du carter, créent des chambres qui s'élargissent (côté entrée) et se rétrécissent (côté sortie) lorsque le rotor tourne.

Résistance et pression

Dans un système hydraulique, la pression et la résistance sont directement liées. La pompe pousse le liquide dans le système ; le niveau de pression est déterminé par le niveau de résistance. Résistance élevée → pression élevée ; résistance faible → pression faible. La résistance à l’écoulement du fluide détermine la pression générée.

Résistance sur une pompe

Une pompe fait face à deux types de résistance : la résistance de charge et la résistance à l’écoulement. Si l’on néglige la résistance à l’écoulement, la seule résistance présente est celle de la charge. Si une pression de 200 psi (13,8 bar) est nécessaire pour vaincre la résistance de charge, la pompe génère une pression de 200 psi et transmet l’énergie hydraulique de travail vers l’actionneur, qui déplace alors la charge.

La résistance à l’écoulement est toujours présente. Elle oblige la pompe à puiser davantage d’énergie dans le moteur d’entraînement et à produire une pression plus élevée afin de la vaincre.

Figure 2-16 : Résistance et pression. La pression de la pompe augmente pour vaincre la résistance totale à laquelle elle est soumise — c’est-à-dire la résistance de charge additionnée à la résistance à l’écoulement (résistance due aux frottements).

Conversion d’énergie supplémentaire

L'énergie supplémentaire que la pompe fournit au liquide pour vaincre la résistance à l'écoulement n'est pas convertie en énergie hydraulique utile au niveau de l'actionneur ; elle est dissipée par la friction d'écoulement. Cette énergie « dissipée » n'est pas perdue au sens de la conservation de l'énergie ; elle est convertie en chaleur, ce qui élève la température du fluide. Cette chaleur constitue l'inefficacité du système.

Vitesse et débit

Dans un système hydraulique dynamique (en écoulement), le liquide circule dans les conduites à une certaine vitesse. La vitesse s'exprime en pi/s (pieds par seconde) ou en m/s.

Le volume de liquide traversant un point donné par unité de temps est appelé débit. Dans les systèmes hydrauliques, l'unité utilisée est généralement le gpm (gallons américains par minute) ou le L/min (litres par minute).

La vitesse et le débit sont liés : pour remplir un récipient de 5 gallons (18,95 L) en une minute à l’aide d’une conduite de grande section, le liquide s’écoule à 10 pi/s (3,04 m/s). À travers une conduite dont la section est deux fois plus petite, le liquide doit s’écouler à 20 pi/s (6,10 m/s) pour délivrer le même débit de 5 gpm. Le débit est identique ; la vitesse diffère.

Figure 2-17 Débit identique, vitesse différente. Dans une canalisation plus étroite, le fluide doit circuler plus rapidement pour faire passer le même volume par minute.

Le frottement génère de la chaleur

Un liquide circulant dans des conduites hydrauliques génère de la chaleur en raison du frottement — plus il s’écoule rapidement, plus de chaleur est produite. Dans les applications industrielles, la vitesse recommandée du fluide à l’intérieur des conduites entre la pompe et l’actionneur est de 15 pi/s (4,572 m/s).

Les coudes génèrent de la chaleur

Un liquide s’écoulant dans une canalisation droite qui atteint un coude doit changer brusquement de direction. Les molécules de fluide entrent alors en collision les unes avec les autres ainsi qu’avec la paroi de la canalisation — ce phénomène génère également de la chaleur. Selon le diamètre de la canalisation, un seul coude à 90° peut générer autant de chaleur que plusieurs pieds de canalisation droite.

Différentiel de pression

Une différence de pression correspond à l’écart de pression entre deux points quelconques d’un système. Une différence de pression vous renseigne sur deux aspects :

1. Elle indique que de l’énergie hydraulique de travail (liquide sous pression en écoulement) est présente entre ces deux points.
2. Il mesure la quantité d'énergie hydraulique convertie en chaleur entre ces deux points.

Exemple : le manomètre 1 indique 200 psi (13,79 bar) ; le manomètre 2 indique 180 psi (12,41 bar). La différence de pression est donc de 20 psi (1,38 bar). Cela signifie que :

3. Le liquide s'écoule du manomètre 1 vers le manomètre 2.
4. une énergie hydraulique équivalente à 20 psi a été convertie en chaleur par la friction liée à l'écoulement entre les deux manomètres.

Figure 2-19 : Différence de pression. La chute de pression de 20 psi sur ce tronçon de tuyauterie indique la présence d'un débit et quantifie l'énergie hydraulique perdue sous forme de chaleur due à la friction.

Conception visant à réduire la chaleur dans les systèmes hydrauliques

La conversion d'énergie hydraulique en chaleur signifie que le système gaspille de l'énergie. Pour améliorer son rendement, les concepteurs doivent choisir la viscosité appropriée de l'huile, dimensionner correctement les tuyaux et réduire au minimum le nombre de coudes et de raccords. Toutes ces mesures permettent de diminuer la résistance à l'écoulement et, par conséquent, de réduire l'énergie perdue sous forme de chaleur.

Figure 2-20 : Génération de chaleur dans un circuit réel. Chaque tuyau, chaque raccord, chaque coude et chaque vanne contribue à la perte de charge et à la perte d'énergie.