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Construction mécanique

Les vérins

M.SPITAELS

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1) Le rôle d’un vérin

Les vérins transforment l’énergie pneumatique ou hydraulique en énergie mécanique qui se traduit par le déplacement d’un piston entraînant une tige en un mouvement rectiligne. Les vérins transforment l’énergie d’un fluide sous pression en énergie mécanique. Ils peuvent soulever, pousser, tirer, serrer …

Le principe de fonctionnement est le même pour les vérins pneumatiques ou hydrauliques. Seuls les joints, la nature des matériaux ou les épaisseurs différent compte tenu des pressions utilisées. En outre, les vérins hydrauliques possèdent des purges d’air.

2) Leur classification Leur classification tient compte de la nature du fluide utilisé :

- pneumatique : ils utilisent l’air comprimé, 2 à 10 bars en usage courant. - hydraulique : ils utilisent l’huile sous pression, jusqu’à 350 bars.

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Critères de choix : - pneumatique : simplicité de mise en œuvre, cout réduit… très nombreux dans l’industrie. - hydraulique : plus couteux, développent des efforts beaucoup plus importants, vitesses de tiges plus précises …

3) Principe de fonctionnement

A l’intérieur d’un tube, un piston muni d’une tige se déplace librement. Pour faire sortir la tige, il suffit d’appliquer une pression sur la face arrière du piston. Pour revenir en position initiale, après avoir coupé la pression d’alimentation, on a recours soit au poids d’une charge fixée en bout de tige, soit à un ressort.

Dans ce cas le vérin est appelé simple effet : l’huile ne sert de fluide moteur que dans un seul sens.

Dans le cas où on utilise l’huile pour effectuer le mouvement de retour, le vérin est dit double effet

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Exemples d’utilisations

4) Constitution

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5) Vérin à simple effet

Ce vérin ne peut développer un effort que dans un seul sens. La course de rentrée s’effectue grâce à un ressort de rappel incorporé entre le piston et le flasque avant. Il ne possède, de ce fait, qu’une seule entrée d’air. L’ensemble tige-piston se déplace dans un seul sens sous l’action du fluide sous pression, le retour est effectué par un autre moyen (ressort, charge…).

Il existe deux versions de ce vérin : - travail en poussant ; - travail en tirant

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6) Vérin à double effets

Dans ces vérins, le fluide est utilisé pour déplacer le piston dans les deux sens.

Très souple d’utilisation ; ce sont les récepteurs les plus utilisés. L’ensemble tige piston peut se déplacer dans les deux sens sous l’action du fluide. L’effort en poussant (tige sortant) est légèrement plus grand que l’effort en tirant (entrée de la tige) car la pression n’agit pas sur la partie de surface occupée par la tige.

Symbole

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Fonctionnement La pression appliquée à un orifice éloigne le piston de cet orifice à condition que l’autre orifice soit ouvert. La vitesse du piston est limitée car il risquerait d’emmagasiner trop d’énergie cinétique et de taper sur les fonds.

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Composition d’un vérin 1. Tête 2. Corps 3. Piston 4. Fond 5. Chemise d’adaptation 6. Chemise d’amortissement 7. Ecrou de piston 8. Tirant 9. Tige de piston 10. Vis de purge d’air 11. Capuchon de sécurité 12. Ecrou de tirant 13. Jeu de joints : Joint racleur

Joint de la tige Joint de piston Joint torique Bague de guidage Bague d’appui

7) Principales caractéristiques

Les grandeurs qui définissent un vérin sont les suivantes :

- Diamètre du piston - Diamètre de la tige - Course - Pression maxi d’utilisation

Exemple de définition : 100/60-250 80b

8) Amortissement de fin de course

Pour éviter les chocs en fin de course, on équipe les vérins d’un dispositif d’amortissement en fin de course. Le principe consiste à faire passer en fin de course le débit d’huile par un orifice calibré.

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9) Etanchéité cylindre-piston

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10) Etanchéité corps-tige

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11) Le théorème de Pascal En mécanique des fluides, le théorème de Pascal s’énonce comme suit : « Les fluides incompressibles transmettent intégralement et dans toutes directions, les pressions qui leur sont appliquées. »

Explication du terme « Pression » Expérience à l’aide d’une canalisation d’eau

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Applications Déterminer la surface de la face blanche.

S =

Soit un effort de 2 N appliqué sur chaque carré blanc, la pression est la force par unité de surface. Donc sur cette face blanche nous avons une pression de :

P = … N / cm²

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Nous voulons remplacer ces 4 efforts par un seul équivalent au milieu de la face, donner sa valeur. Nous pouvons maintenant remarquer que :

F = P . S

Attention : différentes unités sont utilisées pour une pression !

Unité officielle le Pascal : 1 Pa = 1 N/m² Mais le Méga Pascal est plus pratique en mécanique

1 MPa = 1 N/mm² Pour les vérins le bar est l’unité usuelle

1 Bar = 1 daN/cm² 1 MPa = 10 bars

12) Calcul de la force d’un vérin

La force que peut fournir un vérin est donné par la relation.

F = P x S F = Force développée en Newton pour l’unité légale et en déca newton en pratique

P = Pression en Pascal pour l’unité légale et en bars en pratique

S = Surface d’appui du piston en mètre carré pour unité légale et en centimètre carré pratique. Il faudra en pratique tenir compte des rendements. Dans les cas courants, on estime qu’ils sont de 0,8 en hydraulique. A pression constante, l’effort est plus faible en tirant car la pression agit sur la section annulaire du piston.

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Exercice

13) Les dangers liés à l’hydraulique

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8. 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. Des distributeurs spéciaux sont prévus à cet effet

14) Relation vitesse débit d’un vérin

La relation entre le débit et la vitesse est donnée par la relation suivante :

Q = S x v

- Q : débit en l/mn (dm3/mn) - S : section active en dm² - V vitesse du vérin en dm/mn

15) Influence du débit sur la vitesse

Soient deux vérins de sections identiques alimentés chacun par une pompe. Le deuxième vérin ayant une pompe au débit plus important, la vitesse du piston est plus rapide

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16) La vitesse dépend de la section du cylindre

Soient deux vérins alimentés chacun par une pompe de même débit. Le deuxième vérin ayant une section plus importante, la vitesse du piston est plus lente (Fig. 20).

Application

Exemple : Quel sera le débit d'alimentation du vérin ? Diamètre 100 = section 78,5 cm² Course 800 mm en 8 secondes. Volume du vérin (cm3) = Section (cm²) x course (cm) = 78,5 x 80 = 6 280 cm3 Nous avons donc 6280 cm3 en 8 secondes soit 785 cm3/seconde d'où un débit de 785 x 60 = 47 100 cm3/minute = 47,1 litres/minute On peut appliquer directement la formule suivante :

Débit (litres/minutes) = Section (cm²) x vitesse (m/s) x 6

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2ème exemple : Quelle sera la vitesse du vérin et le temps de déplacement d’un Vérin simple effet de : diamètre 40 = section 12,56 cm² Course 600 mm Débit d'huile du tracteur : 20 litres/minute Vitesse du vérin = Temps de déplacement =

17) Schématisation des vérins