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MODULE DES SCIENCES APPLIQUEacuteES
UNITEacute DE CONTROcircLE DU BANC DrsquoESSAI CMVSS
PROJET DrsquoEacuteTUDES EN INGEacuteNIERIE DANS LE CADRE DU PROGRAMME DE BACCALAUREacuteAT EN GEacuteNIE EacuteLECTROMEacuteCANIQUE
Preacutesenteacute par Vincent W Leliegravevre
Superviseur Jean-Paul Langlois ing UQAT Repreacutesentant industriel M Alain Beauseacutejour Amobi
DATE DU DEacutePOcircT 29 avril 2011
ii
REMERCIEMENTS
Tout drsquoabord je tiens agrave remercier tous ceux qui mrsquoont aideacute agrave lrsquoeacutelaboration de ce projet
Premiegraverement Mario Ross et Eacuteneacute Marin professeurs agrave lrsquoUQAT pour leurs judicieux conseils
et lrsquoaide apporteacutee tout au long de la phase de conception du circuit hydraulique Monsieur
Mohamad Saad professeur agrave lrsquoUQAT pour le partage de ses connaissances en automatisation
industrielle Monsieur Robert Lefloic opeacuterateur du banc drsquoessai chez Amobi pour sa patience
et sa disponibiliteacute pour avoir reacutepondu agrave mes nombreuses questions Pour conclure je tiens agrave
remercier mon professeur-superviseur monsieur Jean-Paul Langlois pour mrsquoavoir transmis de
nombreux conseils au niveau de la gestion de mon projet
iii
REacuteSUMEacute
Le projet est reacutealiseacute pour Amobi un manufacturier de siegraveges pneumatiques qui doit effectuer
quelques fois par anneacutee des tests sur des siegraveges qui doivent ecirctre conformes aux normes de
Transport Canada CMVSS-207-210 Ces tests qui consistent agrave appliquer des forces sur le siegravege
se font agrave lrsquoaide drsquoun banc drsquoessai constitueacute de deux veacuterins hydrauliques Actuellement les
veacuterins ne permettent pas drsquoappliquer deux forces simultaneacutement sur le siegravege agrave lrsquoessai comme
exigeacute dans les normes et contraignent lrsquoopeacuterateur agrave appliquer les forces en alternance Aussi
pendant la peacuteriode ougrave le deuxiegraveme cylindre hydraulique est ameneacute agrave la pression voulue le siegravege
se deacuteplace leacutegegraverement et cela fait en sorte que la force reacuteelle appliqueacutee par le premier cylindre
ne demeure pas constante Finalement lrsquoopeacuterateur doit continuellement surveiller plusieurs
cadrans et ajuster la pression dans les cylindres pour corriger les effets des perturbations
La phase de recherche de solution a permis de ressortir quelques solutions et crsquoest lrsquoautomate
programmable qui a eacuteteacute choisi comme uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel
a permis de concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale et de choisir les
composantes hydrauliques et eacutelectroniques approprieacutees pour proceacuteder agrave lrsquoautomatisation du
banc drsquoessai
iv
ABSTRACT The project is realized for Amobi a manufacturer of lift seats that must perform a few times a
year some tests on the seats to be conforming to standard of Transport Canada CMVSS-207-
210 These tests consist in applying forces on the seat with a test bench make with two
cylinders Presently the actuators canrsquot apply two forces simultaneously on the seat during the
test as required in the standards and force the operator to apply forces alternately Also during
the period when the second hydraulic cylinder is moved to the desired pressure the seat moves
slightly and it ensures that the actual force applied by the first cylinder does not remain
constant Finally the operator must continuously monitor several gauges and adjust the
pressure in the cylinder to correct the effects of disturbances
The research phase has allowed finding some solutions and itrsquos the PLC that has been selected
as a control unit The study of the actual test bench has allowed the design of the hydraulic
system of the final solution and to choose the hydraulic and electronic components that are
appropriate for automating the test bench
v
TABLE DES MATIEgraveRES
REMERCIEMENTS ii
REacuteSUMEacute iii
ABSTRACT iv
LISTE DES TABLEAUX vii
LISTE DES FIGURES viii
LISTE DES ABREacuteVIATIONS x
INTRODUCTION 11
1 EacuteTUDE DES BESOINS ET MANDAT 12
11 Preacutesentation de lrsquoentreprise 12
12 Description du produit 13
13 Description du proceacutedeacute 14
14 Mise en contexte de la probleacutematique 15
15 Objectifs contraintes et restrictions 16
16 Formulation du mandat 16
17 Normes applicables 17
Test No 1ndash Application de la force produisant un couple [NSVAC 207 1(b)ii(A)] 17
Test No 2ndash Application de la charge vers lrsquoarriegravere [NSVAC 207 1(a)i(B)] 18
Test No 3ndash Application simultaneacutee des forces [NSVAC 207 1(a)ii] 19
2 CADRE THEacuteORIQUE ET EacuteLABORATION DES HYPOTHEgraveSES 20
211 Composantes actives 20
2111 Geacuteneacuterateurs 20
2112 Modulateurs 22
2113 Reacutecepteurs 22
212 Composantes de liaison 23
213 Composantes passives 23
22 Eacutelaboration des hypothegraveses 24
vi
3 MISE EN ŒUVRE DU MANDAT 25
31 La recherche de solutions 25
311 Solution No 1 - Automate programmable 25
312 Solution No 2 - Microcontrocircleur 26
313 Solution No 3 - Relais 27
32 Eacutelaboration du baregraveme 28
33 Matrice de deacutecision 29
34 La conception de la solution recommandeacutee 30
341 Eacutetude du systegraveme hydraulique existant 30
342 Choix des composantes 47
343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale 50
344 Asservissement du systegraveme hydraulique 52
4 ESTIMATION DES COUcircTS 54
5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute 55
6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE 56
CONCLUSION 57
RECOMMANDATIONS 58
BIBLIOGRAPHIE 59
ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique 60
ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc 66
ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle 67
ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles 71
ANNEXE-E Manomegravetre digital 79
ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute 81
vii
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1 Avantages et inconveacutenients drsquoun automate programmable 26
Tableau 2 Avantages et inconveacutenients drsquoun microcontrocircleur 27
Tableau 3 Avantages et inconveacutenients drsquoun relais 28
Tableau 4 Baregraveme 28
Tableau 5 Matrice de deacutecision 29
Tableau 6 Speacutecifications du moteur eacutelectrique 31
Tableau 7 Speacutecifications de la pompe (supposition) 31
Tableau 8 Speacutecifications du reacuteservoir 32
Tableau 9 Speacutecifications du bloc manifold 33
Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins 36
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine 36
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute 38
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle 39
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort 40
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire 42
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
43
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec
soleacutenoiumlde 46
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie 48
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112 48
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital 49
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique 50
viii
LISTE DES FIGURES
Figure 1 Modegraveles de siegraveges fabriqueacutes par Amobi 12
Figure 2 Cellules pneumatiques gonflables dans le siegravege Tech 3001 13
Figure 3 Banc drsquoessai agrave lrsquoœuvre sur un siegravege de la compagnie Amobi chez PMG Technologies agrave
Blainville 14
Figure 4 Point drsquoapplication de la force 17
Figure 5 Point dapplication de la force 18
Figure 6 Points drsquoapplication des charges 19
Figure 7 Diagramme des principales composantes dun systegraveme hydraulique 20
Figure 8 API de marque Allen-Bradley 25
Figure 9 Microcontrocircleur de marque Arduino 26
Figure 10 Relais meacutecanique 27
Figure 11 Repreacutesentation scheacutematique du moteur eacutelectrique AC 30
Figure 12 Repreacutesentation scheacutematique du reacuteservoir 31
Figure 13 Photo de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir 32
Figure 14 Photo du bloc manifold 33
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees) 34
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin 35
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold 36
Figure 18 Les trois positions des distributeurs 37
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur 38
Figure 20 Photos des 3 distributeurs 38
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle 39
Figure 22 Boicircte de conversion entre la manette et le distributeur 39
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit 40
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit 40
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique 41
Figure 26 Photo des limiteurs de pression 42
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P 42
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold 43
ix
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute 45
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee 45
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide 46
Figure 32 Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle de type cartouche 47
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05
lmn) 48
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie 49
Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale 51
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence 55
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
56
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en
fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68) 62
x
LISTE DES ABREacuteVIATIONS
API Automate programmable industriel
PLC Programmable Logic Controller (eacutequivalent anglais de API)
CPU Central Processing Unit (eacutequivalent anglais de processeur)
ES EntreacuteeSortie
GRAFCET Graphe fonctionnel de commande drsquoeacutetape-transition
PID Proportionnel inteacutegral deacuteriveacute
GEMMA Guide drsquoeacutetude des modes de marches et arrecircts
CA Courant alternatif
CC Courant continu
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 11
INTRODUCTION
Le preacutesent document est le fruit du travail effectueacute dans le cadre du projet drsquoeacutetude en
ingeacutenierie Le projet en question est reacutealiseacute pour Amobi un manufacturier de siegraveges
pneumatiques ergonomiques haut de gamme pour camions autobus et eacutequipements industriels
Les clients drsquoAmobi deacutesirent que les siegraveges installeacutes dans leurs veacutehicules soient conformes aux
normes de seacutecuriteacute volontaire1 des CMVSS no 207 et 210 de Transport Canada Lrsquoobjectif
principal de ce projet est de concevoir une uniteacute de controcircle pour reacutesoudre les restrictions
majeures que rencontre le banc drsquoessai preacutesentement Le banc drsquoessai actuel ne permet pas de
respecter la proceacutedure des tests et il est difficile agrave opeacuterer Pour atteindre cet objectif la seacutelection
des composantes hydrauliques et eacutelectroniques la conception du circuit hydraulique de la
solution finale lrsquoeacutecriture du programme de lrsquouniteacute de controcircle et la conception drsquoune interface
homme-machine doivent ecirctre effectueacutees
1 Une norme volontaire nrsquoa pas agrave ecirctre obligatoirement respecteacutee comparativement aux lois et regraveglements dicteacutes par les gouvernements provinciaux et feacutedeacuteraux La plupart du temps lrsquoentreprise consent agrave adheacuterer agrave ces normes autoreacuteglementaires puisque cela preacutesente plus davantages que dinconveacutenients
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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1 EacuteTUDE DES BESOINS ET MANDAT
Cette section documente tous les renseignements obtenus lors de la collecte de donneacutees
11 Preacutesentation de lrsquoentreprise
Lrsquoentreprise pour laquelle le projet est reacutealiseacute est Amobi Cette compagnie fait partie du
Groupe Dion qui possegravede plusieurs divisions soit industrielles (Pro-AB Eacutequipement TNO
Dion Peinture Industrielle Amobi Acces Industriel Access Mining Services) automobiles
(Action Kia Acces Toyota Hino Nord-Ouest Location Dion Au Carrossier) et de produits
reacutecreacuteatifs (Eacutequipement TNO Marine Lamy et Amobi) Amobi est un manufacturier de siegraveges
pneumatiques ergonomiques haut de gamme pour camions autobus et eacutequipements industriels
Amobi fabrique eacutegalement des toiles protectrices multiusages pour bateaux pontons motos
tracteurs et motoneiges Dans ce travail et dans ceux qui suivront nous ne traiterons toutefois
pas davantage de ces derniers puisque notre projet relegraveve plutocirct du deacutepartement qui srsquooccupe de
la fabrication des siegraveges Amobi dessert le marcheacute canadien mais exporte aussi ces siegraveges agrave des
agents manufacturiers et des distributeurs disperseacutes dans diffeacuterentes reacutegions des Eacutetats-Unis La
figure 2 preacutesente la gamme de siegraveges fabriqueacutee par Amobi
Figure 1 Modegraveles de siegraveges fabriqueacutes par Amobi
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12 Description du produit
Les siegraveges fabriqueacutes par Amobi sont constitueacutes de plusieurs ballons indeacutependants qui se
gonflent pour srsquoadapter agrave la masse et agrave la taille du conducteur Ces ballons apportent un support
dorsal et lateacuteral qui combineacute agrave la base pneumatique agrave amortisseurs permet de diminuer
lrsquoimpact des chocs et des vibrations creacuteeacutes par la route sur le corps du conducteur
Ces siegraveges sont entiegraverement reacuteglables crsquoest-agrave-dire que des manettes de controcircle permettent
lrsquoajustement de nombreux points selon les preacutefeacuterences du conducteur la position avant-arriegravere
du siegravege la profondeur et lrsquoinclinaison de lrsquoassise lrsquoinclinaison du dossier la forme de lrsquoassise
et du dossier la hauteur du siegravege et la suspension de la base du siegravege Les produits fabriqueacutes par
Amobi sont tregraves durables car ils doivent tenir aussi longtemps que le veacutehicule dans lequel ils
seront installeacutes De plus ils doivent aussi reacutesister agrave des ajustements tregraves freacutequents puisque ces
veacutehicules sont souvent conduits par un grand nombre de personnes diffeacuterentes
La majoriteacute des piegraveces composant les siegraveges sont fabriqueacutees par des sous-traitants
Lrsquoassemblage du produit final est cependant entiegraverement fait chez Amobi Crsquoest aussi lagrave que se
fait la conception lrsquoameacutelioration et le test des produits fabriqueacutes
Figure 2 Cellules pneumatiques gonflables dans le siegravege Tech 3001
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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13 Description du proceacutedeacute
Les produits drsquoAmobi sont faits selon les besoins des clients et la majoriteacute de ceux-ci deacutesirent
que les siegraveges installeacutes dans leurs veacutehicules soient conformes aux normes volontaires de
Transport Canada Pour srsquoassurer de cette conformiteacute la compagnie doit tester elle-mecircme ses
siegraveges avant drsquoen produire un grand nombre lorsqursquoil srsquoagit drsquoun nouveau concept ou drsquoun
concept existant dont on a modifieacute des composantes structurales Crsquoest pourquoi Amobi srsquoest
doteacute drsquoun banc drsquoessai pour siegravege visant agrave tester la conformiteacute aux Normes de seacutecuriteacute des
veacutehicules automobiles du Canada (NSVAC ou CMVSS - Canada Motor Vehicle Safety
Standards) no 207 et 210
Les essais effectueacutes visent agrave tester la reacuteaction du siegravege et de son ancrage agrave diffeacuterentes forces
appliqueacutees sur celui-ci Le banc est donc constitueacute drsquoun cadre de meacutetal sur lequel est installeacute un
exemple drsquoancrage de siegravege fourni par la compagnie Novabus client drsquoAmobi ainsi que drsquoune
uniteacute composeacutee de deux cylindres hydrauliques pour appliquer les forces en question
Figure 3 Banc drsquoessai agrave lrsquoœuvre sur un siegravege de la compagnie Amobi chez PMG Technologies agrave Blainville
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14 Mise en contexte de la probleacutematique
Preacutesentement lrsquoentreprise a un banc drsquoessai qui est utiliseacute pour effectuer les tests normatifs
exigeacutes par les normes CMVSS 207 et 210 Lrsquouniteacute de controcircle utiliseacute jusqursquoagrave ce jour preacutesente
des restrictions majeures tel que
1 Seule une personne expeacuterimenteacutee dans le controcircle des valves soleacutenoiumldes est apte agrave
opeacuterer le banc de faccedilon acceptable Le banc drsquoessai ne dispose pas drsquoune interface
homme-machine conviviale
2 Le controcircle des forces appliqueacutees par les veacuterins hydrauliques se fait par le reacuteglage des
valves Les forces ne sont pas appliqueacutees instantaneacutement
3 Le banc drsquoessai actuel ne permet pas drsquoappliquer deux forces simultaneacutement sur le
siegravege
4 Il y a un leacuteger deacuteplacement du siegravege pendant lrsquoopeacuteration du banc drsquoessai ce qui fait en
sorte que les forces reacuteelles appliqueacutees par les cylindres ne demeurent pas constantes
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai doit continuellement surveiller plusieurs manomegravetres et
ajuster la pression dans les cylindres pour corriger les effets de cette perturbation
5 La mesure des pressions deacuteployeacutees est peacutenible agrave cause de lrsquoimpreacutecision de lrsquoeacutechelle des
cadrans des manomegravetres Il est ainsi impossible drsquoopeacuterer le banc drsquoessai agrave basse
pression
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15 Objectifs contraintes et restrictions
Lrsquoobjectif principal de ce projet est de concevoir une uniteacute de controcircle reacutesolvant les restrictions
majeures que rencontre le banc drsquoessai preacutesentement En drsquoautres mots Amobi veut disposer
drsquoun banc drsquoessai permettant drsquoeffectuer tous les tests relieacutes aux normes CMVSS 207-210 en
gagnant en flexibiliteacute et faciliteacute drsquoutilisation Drsquoautre part lrsquoune des contraintes de ce projet est
lrsquoadaptation de la solution recommandeacutee sur le banc drsquoessai existant Il y a eacutegalement une
contrainte moneacutetaire puisque lrsquoinvestissement total de lrsquoensemble de la solution ne doit pas
deacutepasser 8000 $ Le client est agrave la recherche drsquoune solution la plus abordable possible puisque
le banc drsquoessai nrsquoest utiliseacute que quelques fois par anneacutee
16 Formulation du mandat
Les tacircches du mandat de ce projet sont les suivantes
1 Analyser lrsquouniteacute actuelle
2 Concevoir une uniteacute de controcircle incluant
La seacutelection des composantes hydrauliques et eacutelectroniques
Le plan du circuit hydraulique de la solution finale
Le programme de lrsquouniteacute de controcircle
3 Concevoir une interface homme-machine conviviale
4 Reacutediger un mode drsquoemploi pour lrsquoutilisation du banc drsquoessai
5 Eacutevaluer le budget neacutecessaire pour fabriquer la nouvelle uniteacute
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17 Normes applicables
La compagnie SRD Bolduc Inc a preacutepareacute en 2005 pour Amobi un document deacutecrivant les
proceacutedures agrave suivre les informations agrave rapporter et le format des rapports drsquoessais requis pour
deacutemontrer la conformiteacute de siegraveges de veacutehicules aux normes de seacutecuriteacute des veacutehicules
automobiles du Canada NSVACCMVSS no 207 (ancrage des siegraveges) et 210 (ancrage de
ceinture de seacutecuriteacute) Vous retrouvez ci-dessous la description des trois tests normatifs qui
doivent ecirctre effectueacutes sur les siegraveges que lrsquoon deacutesire tester
Test No 1ndash Application de la force produisant un couple [NSVAC 207 1(b)ii(A)]
Figure 4 Point drsquoapplication de la force
Eacutetape 1
Appliquer une charge (en livres) eacutegale agrave 3300 diviseacutee par la distance laquo D raquo La distance laquo D raquo
eacutetant la distance en pouces entre le point de reacutefeacuterence assise2 et la piegravece transversale la plus
eacuteleveacutee du dossier ou de la partie supeacuterieure du dossier La charge doit ecirctre appliqueacutee sur la
partie transversale la plus eacuteleveacutee du dossier et vers lrsquoarriegravere agrave un angle de 0 degreacute
Eacutetape 2
Relacirccher la charge
2 La meacutethode pour deacuteterminer le point de reacutefeacuterence assise est expliqueacutee en annexe
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Test No 2ndash Application de la charge vers lrsquoarriegravere [NSVAC 207 1(a)i(B)]
Figure 5 Point dapplication de la force
Eacutetape 1
Appliquer une charge (en livres) eacutegale agrave 20 fois le poids du siegravege sur un intervalle de temps de
29 secondes La charge doit ecirctre appliqueacutee au centre de graviteacute du siegravege et vers lrsquoarriegravere agrave un
angle de 0 degreacute
Eacutetape 2
Maintenir la charge pendant au moins 10 secondes
Eacutetape 3
Relacirccher la charge
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Test No 3ndash Application simultaneacutee des forces [NSVAC 207 1(a)ii]
Figure 6 Points drsquoapplication des charges
Eacutetape 1
Appliquer 2 charges simultaneacutement sur un intervalle de temps de 29 secondes
- La premiegravere charge (en livres) est eacutegale agrave 20 fois le poids du siegravege et est appliqueacutee au
centre de graviteacute du siegravege vers lrsquoavant agrave un angle de 0 degreacute
- La valeur de la seconde charge deacutepend du type de ceinture installeacutee sur le siegravege Srsquoil
srsquoagit drsquoune ceinture de type I3 la charge agrave appliquer est de 5000 livres Si la ceinture
est de type II4 la charge agrave appliquer est de 3000 livres Cette charge doit ecirctre appliqueacutee
par le biais drsquoune forme de corps retenue par la ceinture de seacutecuriteacute du veacutehicule agrave un
angle compris entre 5 et 10 degreacutes de lrsquohorizontale
Eacutetape 2
Maintenir les charges pendant au moins 10 secondes
Eacutetape 3
Relacirccher les charges
3 Ceinture de seacutecuriteacute agrave 2 points drsquoancrage ougrave une seule sangle est raccordeacutee de chaque cocircteacute du bassin 4 Ceinture de seacutecuriteacute agrave 3 points drsquoancrage ougrave la sangle agrave deux points remonte en travers la poitrine du passager
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2 CADRE THEacuteORIQUE ET EacuteLABORATION DES HYPOTHEgraveSES
21 Cadre theacuteorique
Tout systegraveme agrave fluide sous pression comme celui du banc drsquoessai est toujours composeacute de trois
types de composantes soit
‐ Les composantes actives qui convertissent et modulent lrsquoeacutenergie
‐ Les composantes de liaison qui acheminent lrsquoeacutenergie drsquoune composante active agrave une
autre du moteur agrave la charge
‐ Les composantes passives qui exercent des fonctions secondaires mais qui sont
essentielles pour assurer le bon fonctionnement du systegraveme
Figure 7 Diagramme des principales composantes dun systegraveme hydraulique
211 Composantes actives
2111 Geacuteneacuterateurs
Sur le banc drsquoessai crsquoest la pompe (geacuteneacuterateur pour les liquides) qui produit lrsquoeacutenergie fluide
(volume de fluide sous pression) La puissance fluide est le taux de variation de cette eacutenergie
fluide et est obtenue en multipliant le deacutebit Q et la pression p du fluide
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La pompe se caracteacuterise par sa cylindreacutee D qui deacutepend du volume de fluide refouleacute par uniteacute
de deacuteplacement angulaire de lrsquoarbre (tour ou radian) Les variables de sortie Q et P peuvent ecirctre
exprimeacutees en fonction des variables drsquoentreacutee ωi et Ti selon les eacutequations suivantes
Q ω D
ougrave Q = deacutebit (m3s)
ωi = vitesse angulaire (rads)
D = cylindreacutee (m3rad)
p = pression (Pa)
Ti = couple (Nm)
En consideacuterant la pompe comme un geacuteneacuterateur ideacuteal permettant de transformer lrsquoeacutenergie fluide
sans aucune perte on peut affirmer que la puissance fluide P au refoulement est eacutegale agrave la
puissance meacutecanique drsquoentreacutee Pi soit
ougrave
ougrave Pi est exprimeacute en watts
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2112 Modulateurs
Les modulateurs dans le systegraveme hydraulique sont les valves de direction (distributeurs) les
valves de pression et les valves de deacutebit Sur le banc drsquoessai les valves de direction
(distributeurs) permettent de diriger le fluide drsquoun cocircteacute ou de lrsquoautre dans les veacuterins
(reacutecepteurs) pour qursquoils puissent travailler dans la direction voulue
Les valves de pression et les valves de deacutebit servent respectivement agrave controcircler la pression et le
deacutebit du fluide qui est livreacute aux reacutecepteurs (veacuterins) Lorsque lrsquohuile hydraulique traverse une
valve de pression le fluide est soumis agrave une reacuteduction de pression (de p agrave prsquo) et lorsque cette
huile traverse une valve de deacutebit elle subit une limitation de deacutebit (de Q agrave Qrsquo)
2113 Reacutecepteurs
Les reacutecepteurs dans le systegraveme hydraulique sont agrave mouvement lineacuteaire Les veacuterins sont des
reacutecepteurs qui absorbent lrsquoeacutenergie fluide et la transforment pour produire un travail meacutecanique
en translation Le veacuterin reccediloit le fluide sous pression et en extrait lrsquoeacutenergie avant de le renvoyer
vers le reacuteservoir Le veacuterin est caracteacuteriseacute par une aire A Ainsi on peut exprimer les deux
variables de sortie vo et Fo en fonction des deux variables drsquoentreacutee prsquo et Qrsquo selon les eacutequations
suivantes
prime
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Dans le cas drsquoun veacuterin ideacuteal on peut eacutecrire
Soit
Ougrave vo = vitesse (ms)
A = aire effective (m2)
Fo = force (N)
212 Composantes de liaison
Dans le systegraveme hydraulique les composantes de liaison sont le fluide lui-mecircme et les diverses
canalisations Lrsquohuile hydraulique (fluide) sert agrave transporter lrsquoeacutenergie fluide mais aussi agrave
lubrifier les piegraveces mobiles des veacuterins Cette huile circule dans les canalisations drsquoune
composante agrave une autre Pour eacuteviter drsquoinfluencer lrsquoefficaciteacute et la fiabiliteacute du systegraveme
hydraulique on doit bien choisir dimensionner et installer les canalisations
213 Composantes passives
Les composantes passives du systegraveme hydraulique sont respectivement le reacuteservoir de la pompe
qui permet le stockage de lrsquohuile et la creacutepine qui est un filtre grossier qui protegravege le fluide
contre les polluants externes
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22 Eacutelaboration des hypothegraveses
Voici toutes les hypothegraveses qui ont eacuteteacute poseacutees dans le cadre de ce projet
- La pompe fournie suffisamment de puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins
simultaneacutement
- Les pertes volumeacutetriques dans le circuit sont consideacutereacutees comme eacutetant neacutegligeables
- La pompe se deacutecharge par une valve de mise agrave vide lorsque les veacuterins sont au repos
- Le troisiegraveme distributeur installeacute par Geacuteliko Inc est inutile actuellement
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3 MISE EN ŒUVRE DU MANDAT
31 La recherche de solutions
311 Solution No 1 - Automate programmable
Un automate programmable industriel (API) est un dispositif eacutelectronique qui exerce des
fonctions de controcircle de processus industriels Sa fonction est drsquoenvoyer des commandes aux
preacuteactionneurs (ex les valves) agrave partir des donneacutees drsquoentreacutees qui proviennent des diffeacuterents
capteurs LrsquoAPI est composeacutee drsquoune uniteacute de calculs (processeur) drsquoune alimentation ACDC
et de modules qui sont choisis selon les besoins de lrsquoapplication tel que les cartes drsquoentreacutees-
sorties les modules de communication les modules de commande etc LrsquoAPI peut ecirctre relieacutee agrave
une interface homme-machine agrave un pupitre opeacuterateur agrave une interface graphique ou agrave un
ordinateur Les langages de programmation standards de lrsquoAPI sont le Grafcet et le Ladder
Figure 8 API de marque Allen-Bradley
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Tableau 1 Avantages et inconveacutenients drsquoun automate programmable
Avantages Inconveacutenients
Peu encombrant
Temps de reacuteponse rapide
Facile agrave programmer
Consommation eacutelectrique
acceptable
Configurables et extensibles par
modules
Robuste
Dispendieux pour les petites ou
simples applications
Logiciel de programmation non
gratuit
312 Solution No 2 - Microcontrocircleur
Un microcontrocircleur est comme lrsquoAPI un dispositif eacutelectronique programmable qui peut lire des
signaux drsquoentreacutees et envoyer des signaux de commande agrave des peacuteripheacuteriques externes De plus
le microcontrocircleur rassemble dans un circuit inteacutegreacute tous les eacuteleacutements essentiels agrave son bon
fonctionnement soit le processeur la meacutemoire les uniteacutes peacuteripheacuteriques et les interfaces
drsquoentreacutees-sorties Les langages de programmation des microcontrocircleurs sont varieacutes Basic C
C++ Java etc
Figure 9 Microcontrocircleur de marque Arduino
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 27
Tableau 2 Avantages et inconveacutenients drsquoun microcontrocircleur
Avantages Inconveacutenients
Tregraves peu encombrant
Tregraves faible consommation
eacutelectrique
Logiciel de programmation
geacuteneacuteralement gratuit
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Peu drsquoentreacuteessorties
Langages de programmation plus
contraignants que le Ladder et le
Grafcet
Non extensible
Tregraves fragile
Vitesse de fonctionnement plus
faible
313 Solution No 3 - Relais
Avant lrsquoavegravenement de lrsquoautomate programmable dans le deacutebut des anneacutees 1970 les systegravemes
eacutetaient automatiseacutes agrave lrsquoaide de relais Les relais peuvent ecirctre activeacutes et deacutesactiveacutes sans
interrupteur manuel Aujourdrsquohui les relais servent agrave reacuteduire la taille des panneaux de controcircle
des machines ou agrave creacuteer des cycles drsquoautomatismes simples Mais pour les automatismes qui
requiegraverent un grand nombre drsquoentreacutees sorties on doit remplacer le systegraveme de relayage
devenant trop complexe par un automate programmable
Figure 10 Relais meacutecanique
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 28
Tableau 3 Avantages et inconveacutenients drsquoun relais
Avantages Inconveacutenients
Pas de programmation requise
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Tregraves encombrant
Solution non ideacuteale pour creacuteer des
cycles drsquoautomatismes complexes
Technologie vieillissante
32 Eacutelaboration du baregraveme
Le baregraveme est essentiel lors de lrsquoeacutetape de la prise de deacutecision pour accorder le pointage agrave
chaque solution et pour permettre au concepteur de se fixer des prioriteacutes de conception Le
baregraveme est conccedilu en fonction des critegraveres de qualiteacutes rechercheacutees que lrsquoon associe agrave une eacutechelle
de satisfaction avec une pondeacuteration de 1 agrave 4
Tableau 4 Baregraveme
Critegraveres Objectif 1 2 3 4 Simpliciteacute La programmation
etou lrsquoinstallation de la solution doivent ecirctre faciles
Tregraves difficile Difficile Facile Tregraves facile
Compatibiliteacute Lrsquouniteacute doit ecirctre compatible avec les eacutequipements du banc drsquoessai
Pas compatible Peu compatible Compatible Tregraves compatible
Espace Lrsquoespace requis pour installer lrsquouniteacute est limiteacute
Volume imposant Volume eacuteleveacute Volume moyen Volume neacutegligeable
Fiabiliteacute Durabiliteacute
Lrsquouniteacute doit ecirctre fiable et durable
Tregraves faible Moyennement faible
Moyennement eacuteleveacute
Eacuteleveacute
Coucirct Les contraintes budgeacutetaires doivent ecirctre respecteacutees
Tregraves dispendieux Dispendieux Abordable Tregraves abordable
Efficaciteacute eacutenergeacutetique
La consommation eacutelectrique doit diminuer
Consommation eacuteleveacutee
Consommation normale
Consommation faible
Consommation tregraves faible
Seacutecuriteacute Les risques drsquoaccident de travail doivent diminuer
Tregraves risqueacute Risqueacute Peu risqueacute Aucun risque
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 29
33 Matrice de deacutecision Le tableau suivant preacutesente la matrice de deacutecision Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation de chacune des
solutions on a attribueacute agrave chaque critegravere une note situeacutee en 1 et 4 Les notes des critegraveres sont
multiplieacutees par leurs pondeacuterations respectives ils sont ensuite additionneacutes puis enfin diviser par
4 pour obtenir la note en pourcentage de chaque solution Selon les scores obtenus crsquoest
lrsquoautomate programmable qui est consideacutereacute comme eacutetant la meilleure uniteacute de controcircle
Tableau 5 Matrice de deacutecision
Critegraveres Pondeacuteration Solution 1 2 3
Automate programmable
Microcontrocircleur Relais
Simpliciteacute 30 4 3 1 Compatibiliteacute 20 4 2 1
Espace 5 3 4 1 FiabiliteacuteDurabiliteacute 10 4 2 1
Coucirct 15 2 4 3 Efficaciteacute
eacutenergeacutetique 5 3 4 2
Seacutecuriteacute 15 4 1 1 Reacutesultat 100 90 662 338
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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34 La conception de la solution recommandeacutee
341 Eacutetude du systegraveme hydraulique existant
La preacutesente section est une eacutetude plus deacutetailleacutee portant sur les principales composantes dont est
constitueacute le banc drsquoessai actuel Lrsquoeacutetude comporte une analyse de leurs caracteacuteristiques
principales et de leurs modes de fonctionnements On y preacutesente eacutegalement les symboles
graphiques de ces composantes Cette eacutetude est une eacutetape primordiale pour pouvoir bien choisir
les nouveaux eacutequipements et concevoir le circuit hydraulique de la solution finale
3411 Ensemble pompe-moteur-reacuteservoir
Comme dans les tous systegravemes hydrauliques le banc drsquoessai dispose drsquoun ensemble pompe-
moteur-reacuteservoir La pompe transforme lrsquoeacutenergie meacutecanique fournie par le moteur eacutelectrique
rotatif en eacutenergie fluide La pompe deacutemarre degraves qursquoon branche le moteur eacutelectrique agrave la prise de
courant Vous retrouverez ci-dessous les speacutecifications de ces composantes et une photo prise
sur place de lrsquoensemble
Moteur eacutelectrique AC
Figure 11 Repreacutesentation scheacutematique du moteur eacutelectrique AC
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Tableau 6 Speacutecifications du moteur eacutelectrique
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Puissance
(HP)
Voltage
(V)
Vitesse
(RPM)
HY-SPEC MFG03 HYSW850203-1G 1 110220 1800
Pompe
Tableau 7 Speacutecifications de la pompe (supposition5)
Marque Deacutebit max
(GPM)
Pression max
(PSI)
Cylindreacutee
(cm3tr)
Inconnu 18 3200 PSI 4
Reacuteservoir
Figure 12 Repreacutesentation scheacutematique du reacuteservoir
5 Le deacutebit et la pression pouvant ecirctre fournie par la pompe sont des informations qui ont eacuteteacute fournies par
lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai mais qui ne sont pas veacuterifiables
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Tableau 8 Speacutecifications du reacuteservoir
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Volume
(L)
HY-SPEC V120 HYSW880117 12
Figure 13 Photo de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3412 Bloc Manifold (bloc foreacute)
Un bloc manifold est un bloc de meacutetal avec plusieurs canaux inteacutegreacute conccedilu pour la conduite de
fluide dans des espaces confineacutes On retrouve sur le bloc des caviteacutes dans lesquelles on peut
installer diffeacuterentes composantes hydrauliques (valves manomegravetres tuyau etc)
Tableau 9 Speacutecifications du bloc manifold
Marque Numeacutero de
seacuterie
Description Nombre
de
sections
Ports Orifice
de
seacutecuriteacute
Pression
drsquoopeacuteration
maximale
(PSI)
HY-
SPEC
HYSDD03-
P-03-2SS
Type D03
Circuit
parallegravele
3 P amp T = SAE 10
A amp B = SAE 8
GA = SAE 6
T-10A 5000
Figure 14 Photo du bloc manifold
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3413 Veacuterins
Les 2 veacuterins hydrauliques utiliseacutes dans le banc drsquoessai sont des veacuterins agrave mouvement lineacuteaire et agrave
double effet (deux directions de travail) qui convertissent lrsquoeacutenergie fluide en eacutenergie
meacutecanique Chaque veacuterin est composeacute drsquoun tube cylindrique (le cylindre) dans lequel est
inseacutereacutee une piegravece mobile (le corps du piston) qui assure lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre deux chambres La
tige rigide qui est relieacutee au corps du piston sert agrave transmettre lrsquoeffort et le deacuteplacement Les
veacuterins comportent deux orifices (alimentation et refoulement) et la pression peut ecirctre appliqueacutee
de chaque cocircteacute du piston pour entraicircner son deacuteplacement dans un sens ou dans lautre Ce sont
les distributeurs qui permettent drsquointervertir les rocircles des deux orifices pour controcircler la
direction de la tige
Par ailleurs il peut y avoir des fuites volumeacutetriques internes et externes dans les veacuterins et qui
sont indeacutesirables car elles reacuteduisent la dureacutee de vie et le rendement des veacuterins La fuite interne
est en fait un eacutecoulement de lrsquohuile de la chambre agrave haute pression vers la chambre agrave basse
pression qui est due au jeu entre le corps du piston et la paroi interne du cylindre Il peut
eacutegalement y avoir une fuite externe due au jeu entre la tige du piston et la tecircte du cylindre Pour
reacuteduire ces fuites on installe des joints drsquoeacutetancheacuteiteacutes sur le corps du piston et sur la tecircte du
cylindre
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees)
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Leacutegende
1 Cylindre 5 Chambre de refoulement
2 Piston A Orifice drsquoadmission
3 Tige R Orifice de refoulement
4 Chambre drsquoadmission
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin
La principale caracteacuteristique des veacuterins est lrsquoaire effective sur laquelle le fluide exerce une
pression Les aires effectives du corps du piston (cocircteacute fond du veacuterin et cocircteacute tecircte du veacuterin) sont
diffeacuterentes agrave cause de la preacutesence de la tige sur une seule face du corps du piston Par
conseacutequent pour des mecircmes pressions drsquoadmission la force de contraction est plus faible que
la force drsquoextension Les eacutequations ci-dessous servent agrave convertir les forces (lb) en pression
(psi) selon le sens drsquoapplication du veacuterin
Calcul pour la conversion force-pression
Diamegravetre du piston6 25 po
Diamegravetre de la tige 15 po
lowast egrave
4lowast 25po
449087
lowast egrave
4lowast 15po
417671
ocirc eacute ecirc eacute
ocirc eacute eacute
6 Bore est le terme eacutequivalent du corps du piston
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins
Marque Numeacutero de seacuterie Type drsquoorifices Poids
(livres)
Pression
maximale
(pouce)
HY-SPEC HYS 25FEM24-NW SAE-8 40 3000 PSI
3414 Manomegravetre
Actuellement les pressions exerceacutees dans le bloc manifold et dans chaque chambre des veacuterins
sont mesureacutees agrave lrsquoaide de manomegravetre agrave glyceacuterine
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine
Marque Numeacutero de seacuterie Localisation Diamegravetre
(pouce)
Connexion Eacutechelle du
cadran
(PSI)
HY-
SPEC
HYSG22LXB3000PSI-
14NPT
Bloc
manifold
25
frac14 NPT
0 agrave 3000
HY-
SPEC
HYSG22LXB5000PSI-
14NPT
2 par veacuterin 0 agrave 5000
G
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 37
3415 Les distributeurs
Dans le systegraveme hydraulique les distributeurs (valves de distribution) sont les composantes
actives (modulateurs) qui permettent la distribution du flux drsquoeacutenergie vers les 2 veacuterins
(reacutecepteurs) pour les libeacuterer les arrecircter ou les reacutetracter Sur les trois distributeurs installeacutes sur le
banc drsquoessai seuls 2 drsquoentre eux sont utiliseacutes Le troisiegraveme distributeur a eacuteteacute installeacute au cas ougrave
un troisiegraveme veacuterin serait neacutecessaire pour reacutealiser des tests futurs drsquoapregraves lrsquoopeacuterateur du banc
drsquoessai Il srsquoagit de distributeurs agrave tiroir (de type coulissant) agrave quatre orifices et agrave trois positions
agrave action piloteacutee agrave commande eacutelectrique par soleacutenoiumldes et agrave centrage par ressort de rappel
En alimentant lrsquoun des deux soleacutenoiumldes avec un courant eacutelectrique le tiroir du distributeur se
deacuteplace et lrsquohuile circule par des canaux internes de la valve vers lrsquoune des extreacutemiteacutes du tiroir
principal pendant que lrsquoautre extreacutemiteacute de ce tiroir est raccordeacutee au reacuteservoir du systegraveme par
lrsquoaction du distributeur pilote La pression qui srsquoexerce sur la face du tiroir principal engendre
une force qui pousse ce dernier et le maintien en position agrave voies parallegraveles ou en position agrave
voies croiseacutees En alternant entre la position agrave voies parallegraveles et la position agrave voies croiseacutees le
sens de lrsquoeacutecoulement du fluide dans le veacuterin change et donc le sens de lrsquoapplication de la force
Par ailleurs lorsque les deux soleacutenoiumldes du distributeur ne sont plus alimenteacutes par un courant
eacutelectrique le tiroir principal revient agrave sa position de repos gracircce agrave la pousseacutee du ressort de
rappel Puisqursquoil srsquoagit de distributeurs agrave centre fermeacute lrsquohuile ne peut alors plus circuler dans
les distributeurs et ecirctre achemineacutee dans les veacuterins
Figure 18 Les trois positions des distributeurs
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Leacutegende
T Orifice du reacuteservoir
P Orifice de la pompe
A amp B Admission et refoulement
1 Tiroir
2 Corps de valve
3 Ressort de rappel
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute
Figure 20 Photos des 3 distributeurs
Marque Numeacutero de seacuterie Tension
(V)
Deacutebit
max
(GPM)
Pression admissible
(PSI)
HY-
SPEC
HYSFW-02-3C2-
B110-Z5L-50
24 DC 9 4750
(Orifice A B P)
2320
(Orifice T)
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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La commande des distributeurs
Actuellement lrsquoalimentation des soleacutenoiumldes en courant se fait via deux manettes de controcircle
On retrouve sur ces manettes au total 6 boutons qui permettent lrsquoactivation de chacun des
soleacutenoiumldes Le soleacutenoiumlde demeure alimenteacute tant que lrsquoopeacuterateur exerce une pression sur le
bouton Eacutevidemment ces manettes deviendront inutiles lorsque les soleacutenoiumldes seront alimenteacutes
par lrsquoautomate programmable dans la solution finale
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle
Marque Numeacutero de seacuterie Nombre de boutons
HY-SPEC
HYST90009-3P 2
HYST90012-3P 4
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle
Figure 22 Boicircte de conversion7 entre la manette et le distributeur
7 Aucune speacutecification nrsquoest disponible pour la boicircte de conversion des manettes de controcircle
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3416 Limiteurs de deacutebit
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit
Les limiteurs de deacutebit permettent de controcircler les deacutebits drsquoalimentation des veacuterins et par ce fait
les vitesses de sortie et de rentreacutee des tiges des deux veacuterins Pour y arriver ces valves reacutegulent
le deacutebit du fluide en diminuant la section de lrsquoouverture emprunteacutee par celui-ci Le deacutebit est
proportionnel agrave cette ouverture et agrave la racine carreacutee de la perte de charge Sur le banc drsquoessai on
retrouve 2 eacutetrangleurs reacuteglables agrave pointeau par veacuterin Lrsquoeacutetrangleur agrave pointeau est coupleacute dans le
mecircme corps de la valve avec un clapet de retenue avec ressort8 pour que le deacutebit ne soit limiteacute
que dans un seul sens de lrsquoeacutecoulement
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort
Marque Numeacutero de seacuterie Type
Vickers DGMFN-3-Y-A2W-B2W-41 Port double
8 Il y a ouverture du clapet si la pression drsquoentreacutee est supeacuterieure agrave la somme de la pression de sortie et de la pression du ressort
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
Vinc
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
ii
REMERCIEMENTS
Tout drsquoabord je tiens agrave remercier tous ceux qui mrsquoont aideacute agrave lrsquoeacutelaboration de ce projet
Premiegraverement Mario Ross et Eacuteneacute Marin professeurs agrave lrsquoUQAT pour leurs judicieux conseils
et lrsquoaide apporteacutee tout au long de la phase de conception du circuit hydraulique Monsieur
Mohamad Saad professeur agrave lrsquoUQAT pour le partage de ses connaissances en automatisation
industrielle Monsieur Robert Lefloic opeacuterateur du banc drsquoessai chez Amobi pour sa patience
et sa disponibiliteacute pour avoir reacutepondu agrave mes nombreuses questions Pour conclure je tiens agrave
remercier mon professeur-superviseur monsieur Jean-Paul Langlois pour mrsquoavoir transmis de
nombreux conseils au niveau de la gestion de mon projet
iii
REacuteSUMEacute
Le projet est reacutealiseacute pour Amobi un manufacturier de siegraveges pneumatiques qui doit effectuer
quelques fois par anneacutee des tests sur des siegraveges qui doivent ecirctre conformes aux normes de
Transport Canada CMVSS-207-210 Ces tests qui consistent agrave appliquer des forces sur le siegravege
se font agrave lrsquoaide drsquoun banc drsquoessai constitueacute de deux veacuterins hydrauliques Actuellement les
veacuterins ne permettent pas drsquoappliquer deux forces simultaneacutement sur le siegravege agrave lrsquoessai comme
exigeacute dans les normes et contraignent lrsquoopeacuterateur agrave appliquer les forces en alternance Aussi
pendant la peacuteriode ougrave le deuxiegraveme cylindre hydraulique est ameneacute agrave la pression voulue le siegravege
se deacuteplace leacutegegraverement et cela fait en sorte que la force reacuteelle appliqueacutee par le premier cylindre
ne demeure pas constante Finalement lrsquoopeacuterateur doit continuellement surveiller plusieurs
cadrans et ajuster la pression dans les cylindres pour corriger les effets des perturbations
La phase de recherche de solution a permis de ressortir quelques solutions et crsquoest lrsquoautomate
programmable qui a eacuteteacute choisi comme uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel
a permis de concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale et de choisir les
composantes hydrauliques et eacutelectroniques approprieacutees pour proceacuteder agrave lrsquoautomatisation du
banc drsquoessai
iv
ABSTRACT The project is realized for Amobi a manufacturer of lift seats that must perform a few times a
year some tests on the seats to be conforming to standard of Transport Canada CMVSS-207-
210 These tests consist in applying forces on the seat with a test bench make with two
cylinders Presently the actuators canrsquot apply two forces simultaneously on the seat during the
test as required in the standards and force the operator to apply forces alternately Also during
the period when the second hydraulic cylinder is moved to the desired pressure the seat moves
slightly and it ensures that the actual force applied by the first cylinder does not remain
constant Finally the operator must continuously monitor several gauges and adjust the
pressure in the cylinder to correct the effects of disturbances
The research phase has allowed finding some solutions and itrsquos the PLC that has been selected
as a control unit The study of the actual test bench has allowed the design of the hydraulic
system of the final solution and to choose the hydraulic and electronic components that are
appropriate for automating the test bench
v
TABLE DES MATIEgraveRES
REMERCIEMENTS ii
REacuteSUMEacute iii
ABSTRACT iv
LISTE DES TABLEAUX vii
LISTE DES FIGURES viii
LISTE DES ABREacuteVIATIONS x
INTRODUCTION 11
1 EacuteTUDE DES BESOINS ET MANDAT 12
11 Preacutesentation de lrsquoentreprise 12
12 Description du produit 13
13 Description du proceacutedeacute 14
14 Mise en contexte de la probleacutematique 15
15 Objectifs contraintes et restrictions 16
16 Formulation du mandat 16
17 Normes applicables 17
Test No 1ndash Application de la force produisant un couple [NSVAC 207 1(b)ii(A)] 17
Test No 2ndash Application de la charge vers lrsquoarriegravere [NSVAC 207 1(a)i(B)] 18
Test No 3ndash Application simultaneacutee des forces [NSVAC 207 1(a)ii] 19
2 CADRE THEacuteORIQUE ET EacuteLABORATION DES HYPOTHEgraveSES 20
211 Composantes actives 20
2111 Geacuteneacuterateurs 20
2112 Modulateurs 22
2113 Reacutecepteurs 22
212 Composantes de liaison 23
213 Composantes passives 23
22 Eacutelaboration des hypothegraveses 24
vi
3 MISE EN ŒUVRE DU MANDAT 25
31 La recherche de solutions 25
311 Solution No 1 - Automate programmable 25
312 Solution No 2 - Microcontrocircleur 26
313 Solution No 3 - Relais 27
32 Eacutelaboration du baregraveme 28
33 Matrice de deacutecision 29
34 La conception de la solution recommandeacutee 30
341 Eacutetude du systegraveme hydraulique existant 30
342 Choix des composantes 47
343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale 50
344 Asservissement du systegraveme hydraulique 52
4 ESTIMATION DES COUcircTS 54
5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute 55
6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE 56
CONCLUSION 57
RECOMMANDATIONS 58
BIBLIOGRAPHIE 59
ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique 60
ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc 66
ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle 67
ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles 71
ANNEXE-E Manomegravetre digital 79
ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute 81
vii
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1 Avantages et inconveacutenients drsquoun automate programmable 26
Tableau 2 Avantages et inconveacutenients drsquoun microcontrocircleur 27
Tableau 3 Avantages et inconveacutenients drsquoun relais 28
Tableau 4 Baregraveme 28
Tableau 5 Matrice de deacutecision 29
Tableau 6 Speacutecifications du moteur eacutelectrique 31
Tableau 7 Speacutecifications de la pompe (supposition) 31
Tableau 8 Speacutecifications du reacuteservoir 32
Tableau 9 Speacutecifications du bloc manifold 33
Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins 36
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine 36
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute 38
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle 39
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort 40
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire 42
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
43
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec
soleacutenoiumlde 46
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie 48
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112 48
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital 49
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique 50
viii
LISTE DES FIGURES
Figure 1 Modegraveles de siegraveges fabriqueacutes par Amobi 12
Figure 2 Cellules pneumatiques gonflables dans le siegravege Tech 3001 13
Figure 3 Banc drsquoessai agrave lrsquoœuvre sur un siegravege de la compagnie Amobi chez PMG Technologies agrave
Blainville 14
Figure 4 Point drsquoapplication de la force 17
Figure 5 Point dapplication de la force 18
Figure 6 Points drsquoapplication des charges 19
Figure 7 Diagramme des principales composantes dun systegraveme hydraulique 20
Figure 8 API de marque Allen-Bradley 25
Figure 9 Microcontrocircleur de marque Arduino 26
Figure 10 Relais meacutecanique 27
Figure 11 Repreacutesentation scheacutematique du moteur eacutelectrique AC 30
Figure 12 Repreacutesentation scheacutematique du reacuteservoir 31
Figure 13 Photo de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir 32
Figure 14 Photo du bloc manifold 33
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees) 34
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin 35
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold 36
Figure 18 Les trois positions des distributeurs 37
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur 38
Figure 20 Photos des 3 distributeurs 38
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle 39
Figure 22 Boicircte de conversion entre la manette et le distributeur 39
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit 40
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit 40
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique 41
Figure 26 Photo des limiteurs de pression 42
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P 42
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold 43
ix
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute 45
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee 45
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide 46
Figure 32 Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle de type cartouche 47
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05
lmn) 48
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie 49
Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale 51
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence 55
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
56
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en
fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68) 62
x
LISTE DES ABREacuteVIATIONS
API Automate programmable industriel
PLC Programmable Logic Controller (eacutequivalent anglais de API)
CPU Central Processing Unit (eacutequivalent anglais de processeur)
ES EntreacuteeSortie
GRAFCET Graphe fonctionnel de commande drsquoeacutetape-transition
PID Proportionnel inteacutegral deacuteriveacute
GEMMA Guide drsquoeacutetude des modes de marches et arrecircts
CA Courant alternatif
CC Courant continu
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INTRODUCTION
Le preacutesent document est le fruit du travail effectueacute dans le cadre du projet drsquoeacutetude en
ingeacutenierie Le projet en question est reacutealiseacute pour Amobi un manufacturier de siegraveges
pneumatiques ergonomiques haut de gamme pour camions autobus et eacutequipements industriels
Les clients drsquoAmobi deacutesirent que les siegraveges installeacutes dans leurs veacutehicules soient conformes aux
normes de seacutecuriteacute volontaire1 des CMVSS no 207 et 210 de Transport Canada Lrsquoobjectif
principal de ce projet est de concevoir une uniteacute de controcircle pour reacutesoudre les restrictions
majeures que rencontre le banc drsquoessai preacutesentement Le banc drsquoessai actuel ne permet pas de
respecter la proceacutedure des tests et il est difficile agrave opeacuterer Pour atteindre cet objectif la seacutelection
des composantes hydrauliques et eacutelectroniques la conception du circuit hydraulique de la
solution finale lrsquoeacutecriture du programme de lrsquouniteacute de controcircle et la conception drsquoune interface
homme-machine doivent ecirctre effectueacutees
1 Une norme volontaire nrsquoa pas agrave ecirctre obligatoirement respecteacutee comparativement aux lois et regraveglements dicteacutes par les gouvernements provinciaux et feacutedeacuteraux La plupart du temps lrsquoentreprise consent agrave adheacuterer agrave ces normes autoreacuteglementaires puisque cela preacutesente plus davantages que dinconveacutenients
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1 EacuteTUDE DES BESOINS ET MANDAT
Cette section documente tous les renseignements obtenus lors de la collecte de donneacutees
11 Preacutesentation de lrsquoentreprise
Lrsquoentreprise pour laquelle le projet est reacutealiseacute est Amobi Cette compagnie fait partie du
Groupe Dion qui possegravede plusieurs divisions soit industrielles (Pro-AB Eacutequipement TNO
Dion Peinture Industrielle Amobi Acces Industriel Access Mining Services) automobiles
(Action Kia Acces Toyota Hino Nord-Ouest Location Dion Au Carrossier) et de produits
reacutecreacuteatifs (Eacutequipement TNO Marine Lamy et Amobi) Amobi est un manufacturier de siegraveges
pneumatiques ergonomiques haut de gamme pour camions autobus et eacutequipements industriels
Amobi fabrique eacutegalement des toiles protectrices multiusages pour bateaux pontons motos
tracteurs et motoneiges Dans ce travail et dans ceux qui suivront nous ne traiterons toutefois
pas davantage de ces derniers puisque notre projet relegraveve plutocirct du deacutepartement qui srsquooccupe de
la fabrication des siegraveges Amobi dessert le marcheacute canadien mais exporte aussi ces siegraveges agrave des
agents manufacturiers et des distributeurs disperseacutes dans diffeacuterentes reacutegions des Eacutetats-Unis La
figure 2 preacutesente la gamme de siegraveges fabriqueacutee par Amobi
Figure 1 Modegraveles de siegraveges fabriqueacutes par Amobi
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12 Description du produit
Les siegraveges fabriqueacutes par Amobi sont constitueacutes de plusieurs ballons indeacutependants qui se
gonflent pour srsquoadapter agrave la masse et agrave la taille du conducteur Ces ballons apportent un support
dorsal et lateacuteral qui combineacute agrave la base pneumatique agrave amortisseurs permet de diminuer
lrsquoimpact des chocs et des vibrations creacuteeacutes par la route sur le corps du conducteur
Ces siegraveges sont entiegraverement reacuteglables crsquoest-agrave-dire que des manettes de controcircle permettent
lrsquoajustement de nombreux points selon les preacutefeacuterences du conducteur la position avant-arriegravere
du siegravege la profondeur et lrsquoinclinaison de lrsquoassise lrsquoinclinaison du dossier la forme de lrsquoassise
et du dossier la hauteur du siegravege et la suspension de la base du siegravege Les produits fabriqueacutes par
Amobi sont tregraves durables car ils doivent tenir aussi longtemps que le veacutehicule dans lequel ils
seront installeacutes De plus ils doivent aussi reacutesister agrave des ajustements tregraves freacutequents puisque ces
veacutehicules sont souvent conduits par un grand nombre de personnes diffeacuterentes
La majoriteacute des piegraveces composant les siegraveges sont fabriqueacutees par des sous-traitants
Lrsquoassemblage du produit final est cependant entiegraverement fait chez Amobi Crsquoest aussi lagrave que se
fait la conception lrsquoameacutelioration et le test des produits fabriqueacutes
Figure 2 Cellules pneumatiques gonflables dans le siegravege Tech 3001
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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13 Description du proceacutedeacute
Les produits drsquoAmobi sont faits selon les besoins des clients et la majoriteacute de ceux-ci deacutesirent
que les siegraveges installeacutes dans leurs veacutehicules soient conformes aux normes volontaires de
Transport Canada Pour srsquoassurer de cette conformiteacute la compagnie doit tester elle-mecircme ses
siegraveges avant drsquoen produire un grand nombre lorsqursquoil srsquoagit drsquoun nouveau concept ou drsquoun
concept existant dont on a modifieacute des composantes structurales Crsquoest pourquoi Amobi srsquoest
doteacute drsquoun banc drsquoessai pour siegravege visant agrave tester la conformiteacute aux Normes de seacutecuriteacute des
veacutehicules automobiles du Canada (NSVAC ou CMVSS - Canada Motor Vehicle Safety
Standards) no 207 et 210
Les essais effectueacutes visent agrave tester la reacuteaction du siegravege et de son ancrage agrave diffeacuterentes forces
appliqueacutees sur celui-ci Le banc est donc constitueacute drsquoun cadre de meacutetal sur lequel est installeacute un
exemple drsquoancrage de siegravege fourni par la compagnie Novabus client drsquoAmobi ainsi que drsquoune
uniteacute composeacutee de deux cylindres hydrauliques pour appliquer les forces en question
Figure 3 Banc drsquoessai agrave lrsquoœuvre sur un siegravege de la compagnie Amobi chez PMG Technologies agrave Blainville
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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14 Mise en contexte de la probleacutematique
Preacutesentement lrsquoentreprise a un banc drsquoessai qui est utiliseacute pour effectuer les tests normatifs
exigeacutes par les normes CMVSS 207 et 210 Lrsquouniteacute de controcircle utiliseacute jusqursquoagrave ce jour preacutesente
des restrictions majeures tel que
1 Seule une personne expeacuterimenteacutee dans le controcircle des valves soleacutenoiumldes est apte agrave
opeacuterer le banc de faccedilon acceptable Le banc drsquoessai ne dispose pas drsquoune interface
homme-machine conviviale
2 Le controcircle des forces appliqueacutees par les veacuterins hydrauliques se fait par le reacuteglage des
valves Les forces ne sont pas appliqueacutees instantaneacutement
3 Le banc drsquoessai actuel ne permet pas drsquoappliquer deux forces simultaneacutement sur le
siegravege
4 Il y a un leacuteger deacuteplacement du siegravege pendant lrsquoopeacuteration du banc drsquoessai ce qui fait en
sorte que les forces reacuteelles appliqueacutees par les cylindres ne demeurent pas constantes
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai doit continuellement surveiller plusieurs manomegravetres et
ajuster la pression dans les cylindres pour corriger les effets de cette perturbation
5 La mesure des pressions deacuteployeacutees est peacutenible agrave cause de lrsquoimpreacutecision de lrsquoeacutechelle des
cadrans des manomegravetres Il est ainsi impossible drsquoopeacuterer le banc drsquoessai agrave basse
pression
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15 Objectifs contraintes et restrictions
Lrsquoobjectif principal de ce projet est de concevoir une uniteacute de controcircle reacutesolvant les restrictions
majeures que rencontre le banc drsquoessai preacutesentement En drsquoautres mots Amobi veut disposer
drsquoun banc drsquoessai permettant drsquoeffectuer tous les tests relieacutes aux normes CMVSS 207-210 en
gagnant en flexibiliteacute et faciliteacute drsquoutilisation Drsquoautre part lrsquoune des contraintes de ce projet est
lrsquoadaptation de la solution recommandeacutee sur le banc drsquoessai existant Il y a eacutegalement une
contrainte moneacutetaire puisque lrsquoinvestissement total de lrsquoensemble de la solution ne doit pas
deacutepasser 8000 $ Le client est agrave la recherche drsquoune solution la plus abordable possible puisque
le banc drsquoessai nrsquoest utiliseacute que quelques fois par anneacutee
16 Formulation du mandat
Les tacircches du mandat de ce projet sont les suivantes
1 Analyser lrsquouniteacute actuelle
2 Concevoir une uniteacute de controcircle incluant
La seacutelection des composantes hydrauliques et eacutelectroniques
Le plan du circuit hydraulique de la solution finale
Le programme de lrsquouniteacute de controcircle
3 Concevoir une interface homme-machine conviviale
4 Reacutediger un mode drsquoemploi pour lrsquoutilisation du banc drsquoessai
5 Eacutevaluer le budget neacutecessaire pour fabriquer la nouvelle uniteacute
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17 Normes applicables
La compagnie SRD Bolduc Inc a preacutepareacute en 2005 pour Amobi un document deacutecrivant les
proceacutedures agrave suivre les informations agrave rapporter et le format des rapports drsquoessais requis pour
deacutemontrer la conformiteacute de siegraveges de veacutehicules aux normes de seacutecuriteacute des veacutehicules
automobiles du Canada NSVACCMVSS no 207 (ancrage des siegraveges) et 210 (ancrage de
ceinture de seacutecuriteacute) Vous retrouvez ci-dessous la description des trois tests normatifs qui
doivent ecirctre effectueacutes sur les siegraveges que lrsquoon deacutesire tester
Test No 1ndash Application de la force produisant un couple [NSVAC 207 1(b)ii(A)]
Figure 4 Point drsquoapplication de la force
Eacutetape 1
Appliquer une charge (en livres) eacutegale agrave 3300 diviseacutee par la distance laquo D raquo La distance laquo D raquo
eacutetant la distance en pouces entre le point de reacutefeacuterence assise2 et la piegravece transversale la plus
eacuteleveacutee du dossier ou de la partie supeacuterieure du dossier La charge doit ecirctre appliqueacutee sur la
partie transversale la plus eacuteleveacutee du dossier et vers lrsquoarriegravere agrave un angle de 0 degreacute
Eacutetape 2
Relacirccher la charge
2 La meacutethode pour deacuteterminer le point de reacutefeacuterence assise est expliqueacutee en annexe
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Test No 2ndash Application de la charge vers lrsquoarriegravere [NSVAC 207 1(a)i(B)]
Figure 5 Point dapplication de la force
Eacutetape 1
Appliquer une charge (en livres) eacutegale agrave 20 fois le poids du siegravege sur un intervalle de temps de
29 secondes La charge doit ecirctre appliqueacutee au centre de graviteacute du siegravege et vers lrsquoarriegravere agrave un
angle de 0 degreacute
Eacutetape 2
Maintenir la charge pendant au moins 10 secondes
Eacutetape 3
Relacirccher la charge
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Test No 3ndash Application simultaneacutee des forces [NSVAC 207 1(a)ii]
Figure 6 Points drsquoapplication des charges
Eacutetape 1
Appliquer 2 charges simultaneacutement sur un intervalle de temps de 29 secondes
- La premiegravere charge (en livres) est eacutegale agrave 20 fois le poids du siegravege et est appliqueacutee au
centre de graviteacute du siegravege vers lrsquoavant agrave un angle de 0 degreacute
- La valeur de la seconde charge deacutepend du type de ceinture installeacutee sur le siegravege Srsquoil
srsquoagit drsquoune ceinture de type I3 la charge agrave appliquer est de 5000 livres Si la ceinture
est de type II4 la charge agrave appliquer est de 3000 livres Cette charge doit ecirctre appliqueacutee
par le biais drsquoune forme de corps retenue par la ceinture de seacutecuriteacute du veacutehicule agrave un
angle compris entre 5 et 10 degreacutes de lrsquohorizontale
Eacutetape 2
Maintenir les charges pendant au moins 10 secondes
Eacutetape 3
Relacirccher les charges
3 Ceinture de seacutecuriteacute agrave 2 points drsquoancrage ougrave une seule sangle est raccordeacutee de chaque cocircteacute du bassin 4 Ceinture de seacutecuriteacute agrave 3 points drsquoancrage ougrave la sangle agrave deux points remonte en travers la poitrine du passager
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2 CADRE THEacuteORIQUE ET EacuteLABORATION DES HYPOTHEgraveSES
21 Cadre theacuteorique
Tout systegraveme agrave fluide sous pression comme celui du banc drsquoessai est toujours composeacute de trois
types de composantes soit
‐ Les composantes actives qui convertissent et modulent lrsquoeacutenergie
‐ Les composantes de liaison qui acheminent lrsquoeacutenergie drsquoune composante active agrave une
autre du moteur agrave la charge
‐ Les composantes passives qui exercent des fonctions secondaires mais qui sont
essentielles pour assurer le bon fonctionnement du systegraveme
Figure 7 Diagramme des principales composantes dun systegraveme hydraulique
211 Composantes actives
2111 Geacuteneacuterateurs
Sur le banc drsquoessai crsquoest la pompe (geacuteneacuterateur pour les liquides) qui produit lrsquoeacutenergie fluide
(volume de fluide sous pression) La puissance fluide est le taux de variation de cette eacutenergie
fluide et est obtenue en multipliant le deacutebit Q et la pression p du fluide
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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La pompe se caracteacuterise par sa cylindreacutee D qui deacutepend du volume de fluide refouleacute par uniteacute
de deacuteplacement angulaire de lrsquoarbre (tour ou radian) Les variables de sortie Q et P peuvent ecirctre
exprimeacutees en fonction des variables drsquoentreacutee ωi et Ti selon les eacutequations suivantes
Q ω D
ougrave Q = deacutebit (m3s)
ωi = vitesse angulaire (rads)
D = cylindreacutee (m3rad)
p = pression (Pa)
Ti = couple (Nm)
En consideacuterant la pompe comme un geacuteneacuterateur ideacuteal permettant de transformer lrsquoeacutenergie fluide
sans aucune perte on peut affirmer que la puissance fluide P au refoulement est eacutegale agrave la
puissance meacutecanique drsquoentreacutee Pi soit
ougrave
ougrave Pi est exprimeacute en watts
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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2112 Modulateurs
Les modulateurs dans le systegraveme hydraulique sont les valves de direction (distributeurs) les
valves de pression et les valves de deacutebit Sur le banc drsquoessai les valves de direction
(distributeurs) permettent de diriger le fluide drsquoun cocircteacute ou de lrsquoautre dans les veacuterins
(reacutecepteurs) pour qursquoils puissent travailler dans la direction voulue
Les valves de pression et les valves de deacutebit servent respectivement agrave controcircler la pression et le
deacutebit du fluide qui est livreacute aux reacutecepteurs (veacuterins) Lorsque lrsquohuile hydraulique traverse une
valve de pression le fluide est soumis agrave une reacuteduction de pression (de p agrave prsquo) et lorsque cette
huile traverse une valve de deacutebit elle subit une limitation de deacutebit (de Q agrave Qrsquo)
2113 Reacutecepteurs
Les reacutecepteurs dans le systegraveme hydraulique sont agrave mouvement lineacuteaire Les veacuterins sont des
reacutecepteurs qui absorbent lrsquoeacutenergie fluide et la transforment pour produire un travail meacutecanique
en translation Le veacuterin reccediloit le fluide sous pression et en extrait lrsquoeacutenergie avant de le renvoyer
vers le reacuteservoir Le veacuterin est caracteacuteriseacute par une aire A Ainsi on peut exprimer les deux
variables de sortie vo et Fo en fonction des deux variables drsquoentreacutee prsquo et Qrsquo selon les eacutequations
suivantes
prime
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Dans le cas drsquoun veacuterin ideacuteal on peut eacutecrire
Soit
Ougrave vo = vitesse (ms)
A = aire effective (m2)
Fo = force (N)
212 Composantes de liaison
Dans le systegraveme hydraulique les composantes de liaison sont le fluide lui-mecircme et les diverses
canalisations Lrsquohuile hydraulique (fluide) sert agrave transporter lrsquoeacutenergie fluide mais aussi agrave
lubrifier les piegraveces mobiles des veacuterins Cette huile circule dans les canalisations drsquoune
composante agrave une autre Pour eacuteviter drsquoinfluencer lrsquoefficaciteacute et la fiabiliteacute du systegraveme
hydraulique on doit bien choisir dimensionner et installer les canalisations
213 Composantes passives
Les composantes passives du systegraveme hydraulique sont respectivement le reacuteservoir de la pompe
qui permet le stockage de lrsquohuile et la creacutepine qui est un filtre grossier qui protegravege le fluide
contre les polluants externes
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22 Eacutelaboration des hypothegraveses
Voici toutes les hypothegraveses qui ont eacuteteacute poseacutees dans le cadre de ce projet
- La pompe fournie suffisamment de puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins
simultaneacutement
- Les pertes volumeacutetriques dans le circuit sont consideacutereacutees comme eacutetant neacutegligeables
- La pompe se deacutecharge par une valve de mise agrave vide lorsque les veacuterins sont au repos
- Le troisiegraveme distributeur installeacute par Geacuteliko Inc est inutile actuellement
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3 MISE EN ŒUVRE DU MANDAT
31 La recherche de solutions
311 Solution No 1 - Automate programmable
Un automate programmable industriel (API) est un dispositif eacutelectronique qui exerce des
fonctions de controcircle de processus industriels Sa fonction est drsquoenvoyer des commandes aux
preacuteactionneurs (ex les valves) agrave partir des donneacutees drsquoentreacutees qui proviennent des diffeacuterents
capteurs LrsquoAPI est composeacutee drsquoune uniteacute de calculs (processeur) drsquoune alimentation ACDC
et de modules qui sont choisis selon les besoins de lrsquoapplication tel que les cartes drsquoentreacutees-
sorties les modules de communication les modules de commande etc LrsquoAPI peut ecirctre relieacutee agrave
une interface homme-machine agrave un pupitre opeacuterateur agrave une interface graphique ou agrave un
ordinateur Les langages de programmation standards de lrsquoAPI sont le Grafcet et le Ladder
Figure 8 API de marque Allen-Bradley
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Tableau 1 Avantages et inconveacutenients drsquoun automate programmable
Avantages Inconveacutenients
Peu encombrant
Temps de reacuteponse rapide
Facile agrave programmer
Consommation eacutelectrique
acceptable
Configurables et extensibles par
modules
Robuste
Dispendieux pour les petites ou
simples applications
Logiciel de programmation non
gratuit
312 Solution No 2 - Microcontrocircleur
Un microcontrocircleur est comme lrsquoAPI un dispositif eacutelectronique programmable qui peut lire des
signaux drsquoentreacutees et envoyer des signaux de commande agrave des peacuteripheacuteriques externes De plus
le microcontrocircleur rassemble dans un circuit inteacutegreacute tous les eacuteleacutements essentiels agrave son bon
fonctionnement soit le processeur la meacutemoire les uniteacutes peacuteripheacuteriques et les interfaces
drsquoentreacutees-sorties Les langages de programmation des microcontrocircleurs sont varieacutes Basic C
C++ Java etc
Figure 9 Microcontrocircleur de marque Arduino
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Tableau 2 Avantages et inconveacutenients drsquoun microcontrocircleur
Avantages Inconveacutenients
Tregraves peu encombrant
Tregraves faible consommation
eacutelectrique
Logiciel de programmation
geacuteneacuteralement gratuit
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Peu drsquoentreacuteessorties
Langages de programmation plus
contraignants que le Ladder et le
Grafcet
Non extensible
Tregraves fragile
Vitesse de fonctionnement plus
faible
313 Solution No 3 - Relais
Avant lrsquoavegravenement de lrsquoautomate programmable dans le deacutebut des anneacutees 1970 les systegravemes
eacutetaient automatiseacutes agrave lrsquoaide de relais Les relais peuvent ecirctre activeacutes et deacutesactiveacutes sans
interrupteur manuel Aujourdrsquohui les relais servent agrave reacuteduire la taille des panneaux de controcircle
des machines ou agrave creacuteer des cycles drsquoautomatismes simples Mais pour les automatismes qui
requiegraverent un grand nombre drsquoentreacutees sorties on doit remplacer le systegraveme de relayage
devenant trop complexe par un automate programmable
Figure 10 Relais meacutecanique
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VincentWLeliegravevre Hiver2011 28
Tableau 3 Avantages et inconveacutenients drsquoun relais
Avantages Inconveacutenients
Pas de programmation requise
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Tregraves encombrant
Solution non ideacuteale pour creacuteer des
cycles drsquoautomatismes complexes
Technologie vieillissante
32 Eacutelaboration du baregraveme
Le baregraveme est essentiel lors de lrsquoeacutetape de la prise de deacutecision pour accorder le pointage agrave
chaque solution et pour permettre au concepteur de se fixer des prioriteacutes de conception Le
baregraveme est conccedilu en fonction des critegraveres de qualiteacutes rechercheacutees que lrsquoon associe agrave une eacutechelle
de satisfaction avec une pondeacuteration de 1 agrave 4
Tableau 4 Baregraveme
Critegraveres Objectif 1 2 3 4 Simpliciteacute La programmation
etou lrsquoinstallation de la solution doivent ecirctre faciles
Tregraves difficile Difficile Facile Tregraves facile
Compatibiliteacute Lrsquouniteacute doit ecirctre compatible avec les eacutequipements du banc drsquoessai
Pas compatible Peu compatible Compatible Tregraves compatible
Espace Lrsquoespace requis pour installer lrsquouniteacute est limiteacute
Volume imposant Volume eacuteleveacute Volume moyen Volume neacutegligeable
Fiabiliteacute Durabiliteacute
Lrsquouniteacute doit ecirctre fiable et durable
Tregraves faible Moyennement faible
Moyennement eacuteleveacute
Eacuteleveacute
Coucirct Les contraintes budgeacutetaires doivent ecirctre respecteacutees
Tregraves dispendieux Dispendieux Abordable Tregraves abordable
Efficaciteacute eacutenergeacutetique
La consommation eacutelectrique doit diminuer
Consommation eacuteleveacutee
Consommation normale
Consommation faible
Consommation tregraves faible
Seacutecuriteacute Les risques drsquoaccident de travail doivent diminuer
Tregraves risqueacute Risqueacute Peu risqueacute Aucun risque
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33 Matrice de deacutecision Le tableau suivant preacutesente la matrice de deacutecision Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation de chacune des
solutions on a attribueacute agrave chaque critegravere une note situeacutee en 1 et 4 Les notes des critegraveres sont
multiplieacutees par leurs pondeacuterations respectives ils sont ensuite additionneacutes puis enfin diviser par
4 pour obtenir la note en pourcentage de chaque solution Selon les scores obtenus crsquoest
lrsquoautomate programmable qui est consideacutereacute comme eacutetant la meilleure uniteacute de controcircle
Tableau 5 Matrice de deacutecision
Critegraveres Pondeacuteration Solution 1 2 3
Automate programmable
Microcontrocircleur Relais
Simpliciteacute 30 4 3 1 Compatibiliteacute 20 4 2 1
Espace 5 3 4 1 FiabiliteacuteDurabiliteacute 10 4 2 1
Coucirct 15 2 4 3 Efficaciteacute
eacutenergeacutetique 5 3 4 2
Seacutecuriteacute 15 4 1 1 Reacutesultat 100 90 662 338
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34 La conception de la solution recommandeacutee
341 Eacutetude du systegraveme hydraulique existant
La preacutesente section est une eacutetude plus deacutetailleacutee portant sur les principales composantes dont est
constitueacute le banc drsquoessai actuel Lrsquoeacutetude comporte une analyse de leurs caracteacuteristiques
principales et de leurs modes de fonctionnements On y preacutesente eacutegalement les symboles
graphiques de ces composantes Cette eacutetude est une eacutetape primordiale pour pouvoir bien choisir
les nouveaux eacutequipements et concevoir le circuit hydraulique de la solution finale
3411 Ensemble pompe-moteur-reacuteservoir
Comme dans les tous systegravemes hydrauliques le banc drsquoessai dispose drsquoun ensemble pompe-
moteur-reacuteservoir La pompe transforme lrsquoeacutenergie meacutecanique fournie par le moteur eacutelectrique
rotatif en eacutenergie fluide La pompe deacutemarre degraves qursquoon branche le moteur eacutelectrique agrave la prise de
courant Vous retrouverez ci-dessous les speacutecifications de ces composantes et une photo prise
sur place de lrsquoensemble
Moteur eacutelectrique AC
Figure 11 Repreacutesentation scheacutematique du moteur eacutelectrique AC
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Tableau 6 Speacutecifications du moteur eacutelectrique
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Puissance
(HP)
Voltage
(V)
Vitesse
(RPM)
HY-SPEC MFG03 HYSW850203-1G 1 110220 1800
Pompe
Tableau 7 Speacutecifications de la pompe (supposition5)
Marque Deacutebit max
(GPM)
Pression max
(PSI)
Cylindreacutee
(cm3tr)
Inconnu 18 3200 PSI 4
Reacuteservoir
Figure 12 Repreacutesentation scheacutematique du reacuteservoir
5 Le deacutebit et la pression pouvant ecirctre fournie par la pompe sont des informations qui ont eacuteteacute fournies par
lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai mais qui ne sont pas veacuterifiables
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Tableau 8 Speacutecifications du reacuteservoir
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Volume
(L)
HY-SPEC V120 HYSW880117 12
Figure 13 Photo de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir
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3412 Bloc Manifold (bloc foreacute)
Un bloc manifold est un bloc de meacutetal avec plusieurs canaux inteacutegreacute conccedilu pour la conduite de
fluide dans des espaces confineacutes On retrouve sur le bloc des caviteacutes dans lesquelles on peut
installer diffeacuterentes composantes hydrauliques (valves manomegravetres tuyau etc)
Tableau 9 Speacutecifications du bloc manifold
Marque Numeacutero de
seacuterie
Description Nombre
de
sections
Ports Orifice
de
seacutecuriteacute
Pression
drsquoopeacuteration
maximale
(PSI)
HY-
SPEC
HYSDD03-
P-03-2SS
Type D03
Circuit
parallegravele
3 P amp T = SAE 10
A amp B = SAE 8
GA = SAE 6
T-10A 5000
Figure 14 Photo du bloc manifold
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3413 Veacuterins
Les 2 veacuterins hydrauliques utiliseacutes dans le banc drsquoessai sont des veacuterins agrave mouvement lineacuteaire et agrave
double effet (deux directions de travail) qui convertissent lrsquoeacutenergie fluide en eacutenergie
meacutecanique Chaque veacuterin est composeacute drsquoun tube cylindrique (le cylindre) dans lequel est
inseacutereacutee une piegravece mobile (le corps du piston) qui assure lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre deux chambres La
tige rigide qui est relieacutee au corps du piston sert agrave transmettre lrsquoeffort et le deacuteplacement Les
veacuterins comportent deux orifices (alimentation et refoulement) et la pression peut ecirctre appliqueacutee
de chaque cocircteacute du piston pour entraicircner son deacuteplacement dans un sens ou dans lautre Ce sont
les distributeurs qui permettent drsquointervertir les rocircles des deux orifices pour controcircler la
direction de la tige
Par ailleurs il peut y avoir des fuites volumeacutetriques internes et externes dans les veacuterins et qui
sont indeacutesirables car elles reacuteduisent la dureacutee de vie et le rendement des veacuterins La fuite interne
est en fait un eacutecoulement de lrsquohuile de la chambre agrave haute pression vers la chambre agrave basse
pression qui est due au jeu entre le corps du piston et la paroi interne du cylindre Il peut
eacutegalement y avoir une fuite externe due au jeu entre la tige du piston et la tecircte du cylindre Pour
reacuteduire ces fuites on installe des joints drsquoeacutetancheacuteiteacutes sur le corps du piston et sur la tecircte du
cylindre
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees)
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Leacutegende
1 Cylindre 5 Chambre de refoulement
2 Piston A Orifice drsquoadmission
3 Tige R Orifice de refoulement
4 Chambre drsquoadmission
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin
La principale caracteacuteristique des veacuterins est lrsquoaire effective sur laquelle le fluide exerce une
pression Les aires effectives du corps du piston (cocircteacute fond du veacuterin et cocircteacute tecircte du veacuterin) sont
diffeacuterentes agrave cause de la preacutesence de la tige sur une seule face du corps du piston Par
conseacutequent pour des mecircmes pressions drsquoadmission la force de contraction est plus faible que
la force drsquoextension Les eacutequations ci-dessous servent agrave convertir les forces (lb) en pression
(psi) selon le sens drsquoapplication du veacuterin
Calcul pour la conversion force-pression
Diamegravetre du piston6 25 po
Diamegravetre de la tige 15 po
lowast egrave
4lowast 25po
449087
lowast egrave
4lowast 15po
417671
ocirc eacute ecirc eacute
ocirc eacute eacute
6 Bore est le terme eacutequivalent du corps du piston
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Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins
Marque Numeacutero de seacuterie Type drsquoorifices Poids
(livres)
Pression
maximale
(pouce)
HY-SPEC HYS 25FEM24-NW SAE-8 40 3000 PSI
3414 Manomegravetre
Actuellement les pressions exerceacutees dans le bloc manifold et dans chaque chambre des veacuterins
sont mesureacutees agrave lrsquoaide de manomegravetre agrave glyceacuterine
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine
Marque Numeacutero de seacuterie Localisation Diamegravetre
(pouce)
Connexion Eacutechelle du
cadran
(PSI)
HY-
SPEC
HYSG22LXB3000PSI-
14NPT
Bloc
manifold
25
frac14 NPT
0 agrave 3000
HY-
SPEC
HYSG22LXB5000PSI-
14NPT
2 par veacuterin 0 agrave 5000
G
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold
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3415 Les distributeurs
Dans le systegraveme hydraulique les distributeurs (valves de distribution) sont les composantes
actives (modulateurs) qui permettent la distribution du flux drsquoeacutenergie vers les 2 veacuterins
(reacutecepteurs) pour les libeacuterer les arrecircter ou les reacutetracter Sur les trois distributeurs installeacutes sur le
banc drsquoessai seuls 2 drsquoentre eux sont utiliseacutes Le troisiegraveme distributeur a eacuteteacute installeacute au cas ougrave
un troisiegraveme veacuterin serait neacutecessaire pour reacutealiser des tests futurs drsquoapregraves lrsquoopeacuterateur du banc
drsquoessai Il srsquoagit de distributeurs agrave tiroir (de type coulissant) agrave quatre orifices et agrave trois positions
agrave action piloteacutee agrave commande eacutelectrique par soleacutenoiumldes et agrave centrage par ressort de rappel
En alimentant lrsquoun des deux soleacutenoiumldes avec un courant eacutelectrique le tiroir du distributeur se
deacuteplace et lrsquohuile circule par des canaux internes de la valve vers lrsquoune des extreacutemiteacutes du tiroir
principal pendant que lrsquoautre extreacutemiteacute de ce tiroir est raccordeacutee au reacuteservoir du systegraveme par
lrsquoaction du distributeur pilote La pression qui srsquoexerce sur la face du tiroir principal engendre
une force qui pousse ce dernier et le maintien en position agrave voies parallegraveles ou en position agrave
voies croiseacutees En alternant entre la position agrave voies parallegraveles et la position agrave voies croiseacutees le
sens de lrsquoeacutecoulement du fluide dans le veacuterin change et donc le sens de lrsquoapplication de la force
Par ailleurs lorsque les deux soleacutenoiumldes du distributeur ne sont plus alimenteacutes par un courant
eacutelectrique le tiroir principal revient agrave sa position de repos gracircce agrave la pousseacutee du ressort de
rappel Puisqursquoil srsquoagit de distributeurs agrave centre fermeacute lrsquohuile ne peut alors plus circuler dans
les distributeurs et ecirctre achemineacutee dans les veacuterins
Figure 18 Les trois positions des distributeurs
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Leacutegende
T Orifice du reacuteservoir
P Orifice de la pompe
A amp B Admission et refoulement
1 Tiroir
2 Corps de valve
3 Ressort de rappel
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute
Figure 20 Photos des 3 distributeurs
Marque Numeacutero de seacuterie Tension
(V)
Deacutebit
max
(GPM)
Pression admissible
(PSI)
HY-
SPEC
HYSFW-02-3C2-
B110-Z5L-50
24 DC 9 4750
(Orifice A B P)
2320
(Orifice T)
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La commande des distributeurs
Actuellement lrsquoalimentation des soleacutenoiumldes en courant se fait via deux manettes de controcircle
On retrouve sur ces manettes au total 6 boutons qui permettent lrsquoactivation de chacun des
soleacutenoiumldes Le soleacutenoiumlde demeure alimenteacute tant que lrsquoopeacuterateur exerce une pression sur le
bouton Eacutevidemment ces manettes deviendront inutiles lorsque les soleacutenoiumldes seront alimenteacutes
par lrsquoautomate programmable dans la solution finale
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle
Marque Numeacutero de seacuterie Nombre de boutons
HY-SPEC
HYST90009-3P 2
HYST90012-3P 4
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle
Figure 22 Boicircte de conversion7 entre la manette et le distributeur
7 Aucune speacutecification nrsquoest disponible pour la boicircte de conversion des manettes de controcircle
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3416 Limiteurs de deacutebit
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit
Les limiteurs de deacutebit permettent de controcircler les deacutebits drsquoalimentation des veacuterins et par ce fait
les vitesses de sortie et de rentreacutee des tiges des deux veacuterins Pour y arriver ces valves reacutegulent
le deacutebit du fluide en diminuant la section de lrsquoouverture emprunteacutee par celui-ci Le deacutebit est
proportionnel agrave cette ouverture et agrave la racine carreacutee de la perte de charge Sur le banc drsquoessai on
retrouve 2 eacutetrangleurs reacuteglables agrave pointeau par veacuterin Lrsquoeacutetrangleur agrave pointeau est coupleacute dans le
mecircme corps de la valve avec un clapet de retenue avec ressort8 pour que le deacutebit ne soit limiteacute
que dans un seul sens de lrsquoeacutecoulement
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort
Marque Numeacutero de seacuterie Type
Vickers DGMFN-3-Y-A2W-B2W-41 Port double
8 Il y a ouverture du clapet si la pression drsquoentreacutee est supeacuterieure agrave la somme de la pression de sortie et de la pression du ressort
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
Vinc
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 57
CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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VincentWLeliegravevre Hiver2011 59
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
iii
REacuteSUMEacute
Le projet est reacutealiseacute pour Amobi un manufacturier de siegraveges pneumatiques qui doit effectuer
quelques fois par anneacutee des tests sur des siegraveges qui doivent ecirctre conformes aux normes de
Transport Canada CMVSS-207-210 Ces tests qui consistent agrave appliquer des forces sur le siegravege
se font agrave lrsquoaide drsquoun banc drsquoessai constitueacute de deux veacuterins hydrauliques Actuellement les
veacuterins ne permettent pas drsquoappliquer deux forces simultaneacutement sur le siegravege agrave lrsquoessai comme
exigeacute dans les normes et contraignent lrsquoopeacuterateur agrave appliquer les forces en alternance Aussi
pendant la peacuteriode ougrave le deuxiegraveme cylindre hydraulique est ameneacute agrave la pression voulue le siegravege
se deacuteplace leacutegegraverement et cela fait en sorte que la force reacuteelle appliqueacutee par le premier cylindre
ne demeure pas constante Finalement lrsquoopeacuterateur doit continuellement surveiller plusieurs
cadrans et ajuster la pression dans les cylindres pour corriger les effets des perturbations
La phase de recherche de solution a permis de ressortir quelques solutions et crsquoest lrsquoautomate
programmable qui a eacuteteacute choisi comme uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel
a permis de concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale et de choisir les
composantes hydrauliques et eacutelectroniques approprieacutees pour proceacuteder agrave lrsquoautomatisation du
banc drsquoessai
iv
ABSTRACT The project is realized for Amobi a manufacturer of lift seats that must perform a few times a
year some tests on the seats to be conforming to standard of Transport Canada CMVSS-207-
210 These tests consist in applying forces on the seat with a test bench make with two
cylinders Presently the actuators canrsquot apply two forces simultaneously on the seat during the
test as required in the standards and force the operator to apply forces alternately Also during
the period when the second hydraulic cylinder is moved to the desired pressure the seat moves
slightly and it ensures that the actual force applied by the first cylinder does not remain
constant Finally the operator must continuously monitor several gauges and adjust the
pressure in the cylinder to correct the effects of disturbances
The research phase has allowed finding some solutions and itrsquos the PLC that has been selected
as a control unit The study of the actual test bench has allowed the design of the hydraulic
system of the final solution and to choose the hydraulic and electronic components that are
appropriate for automating the test bench
v
TABLE DES MATIEgraveRES
REMERCIEMENTS ii
REacuteSUMEacute iii
ABSTRACT iv
LISTE DES TABLEAUX vii
LISTE DES FIGURES viii
LISTE DES ABREacuteVIATIONS x
INTRODUCTION 11
1 EacuteTUDE DES BESOINS ET MANDAT 12
11 Preacutesentation de lrsquoentreprise 12
12 Description du produit 13
13 Description du proceacutedeacute 14
14 Mise en contexte de la probleacutematique 15
15 Objectifs contraintes et restrictions 16
16 Formulation du mandat 16
17 Normes applicables 17
Test No 1ndash Application de la force produisant un couple [NSVAC 207 1(b)ii(A)] 17
Test No 2ndash Application de la charge vers lrsquoarriegravere [NSVAC 207 1(a)i(B)] 18
Test No 3ndash Application simultaneacutee des forces [NSVAC 207 1(a)ii] 19
2 CADRE THEacuteORIQUE ET EacuteLABORATION DES HYPOTHEgraveSES 20
211 Composantes actives 20
2111 Geacuteneacuterateurs 20
2112 Modulateurs 22
2113 Reacutecepteurs 22
212 Composantes de liaison 23
213 Composantes passives 23
22 Eacutelaboration des hypothegraveses 24
vi
3 MISE EN ŒUVRE DU MANDAT 25
31 La recherche de solutions 25
311 Solution No 1 - Automate programmable 25
312 Solution No 2 - Microcontrocircleur 26
313 Solution No 3 - Relais 27
32 Eacutelaboration du baregraveme 28
33 Matrice de deacutecision 29
34 La conception de la solution recommandeacutee 30
341 Eacutetude du systegraveme hydraulique existant 30
342 Choix des composantes 47
343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale 50
344 Asservissement du systegraveme hydraulique 52
4 ESTIMATION DES COUcircTS 54
5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute 55
6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE 56
CONCLUSION 57
RECOMMANDATIONS 58
BIBLIOGRAPHIE 59
ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique 60
ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc 66
ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle 67
ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles 71
ANNEXE-E Manomegravetre digital 79
ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute 81
vii
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1 Avantages et inconveacutenients drsquoun automate programmable 26
Tableau 2 Avantages et inconveacutenients drsquoun microcontrocircleur 27
Tableau 3 Avantages et inconveacutenients drsquoun relais 28
Tableau 4 Baregraveme 28
Tableau 5 Matrice de deacutecision 29
Tableau 6 Speacutecifications du moteur eacutelectrique 31
Tableau 7 Speacutecifications de la pompe (supposition) 31
Tableau 8 Speacutecifications du reacuteservoir 32
Tableau 9 Speacutecifications du bloc manifold 33
Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins 36
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine 36
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute 38
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle 39
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort 40
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire 42
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
43
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec
soleacutenoiumlde 46
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie 48
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112 48
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital 49
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique 50
viii
LISTE DES FIGURES
Figure 1 Modegraveles de siegraveges fabriqueacutes par Amobi 12
Figure 2 Cellules pneumatiques gonflables dans le siegravege Tech 3001 13
Figure 3 Banc drsquoessai agrave lrsquoœuvre sur un siegravege de la compagnie Amobi chez PMG Technologies agrave
Blainville 14
Figure 4 Point drsquoapplication de la force 17
Figure 5 Point dapplication de la force 18
Figure 6 Points drsquoapplication des charges 19
Figure 7 Diagramme des principales composantes dun systegraveme hydraulique 20
Figure 8 API de marque Allen-Bradley 25
Figure 9 Microcontrocircleur de marque Arduino 26
Figure 10 Relais meacutecanique 27
Figure 11 Repreacutesentation scheacutematique du moteur eacutelectrique AC 30
Figure 12 Repreacutesentation scheacutematique du reacuteservoir 31
Figure 13 Photo de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir 32
Figure 14 Photo du bloc manifold 33
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees) 34
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin 35
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold 36
Figure 18 Les trois positions des distributeurs 37
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur 38
Figure 20 Photos des 3 distributeurs 38
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle 39
Figure 22 Boicircte de conversion entre la manette et le distributeur 39
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit 40
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit 40
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique 41
Figure 26 Photo des limiteurs de pression 42
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P 42
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold 43
ix
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute 45
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee 45
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide 46
Figure 32 Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle de type cartouche 47
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05
lmn) 48
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie 49
Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale 51
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence 55
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
56
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en
fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68) 62
x
LISTE DES ABREacuteVIATIONS
API Automate programmable industriel
PLC Programmable Logic Controller (eacutequivalent anglais de API)
CPU Central Processing Unit (eacutequivalent anglais de processeur)
ES EntreacuteeSortie
GRAFCET Graphe fonctionnel de commande drsquoeacutetape-transition
PID Proportionnel inteacutegral deacuteriveacute
GEMMA Guide drsquoeacutetude des modes de marches et arrecircts
CA Courant alternatif
CC Courant continu
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INTRODUCTION
Le preacutesent document est le fruit du travail effectueacute dans le cadre du projet drsquoeacutetude en
ingeacutenierie Le projet en question est reacutealiseacute pour Amobi un manufacturier de siegraveges
pneumatiques ergonomiques haut de gamme pour camions autobus et eacutequipements industriels
Les clients drsquoAmobi deacutesirent que les siegraveges installeacutes dans leurs veacutehicules soient conformes aux
normes de seacutecuriteacute volontaire1 des CMVSS no 207 et 210 de Transport Canada Lrsquoobjectif
principal de ce projet est de concevoir une uniteacute de controcircle pour reacutesoudre les restrictions
majeures que rencontre le banc drsquoessai preacutesentement Le banc drsquoessai actuel ne permet pas de
respecter la proceacutedure des tests et il est difficile agrave opeacuterer Pour atteindre cet objectif la seacutelection
des composantes hydrauliques et eacutelectroniques la conception du circuit hydraulique de la
solution finale lrsquoeacutecriture du programme de lrsquouniteacute de controcircle et la conception drsquoune interface
homme-machine doivent ecirctre effectueacutees
1 Une norme volontaire nrsquoa pas agrave ecirctre obligatoirement respecteacutee comparativement aux lois et regraveglements dicteacutes par les gouvernements provinciaux et feacutedeacuteraux La plupart du temps lrsquoentreprise consent agrave adheacuterer agrave ces normes autoreacuteglementaires puisque cela preacutesente plus davantages que dinconveacutenients
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1 EacuteTUDE DES BESOINS ET MANDAT
Cette section documente tous les renseignements obtenus lors de la collecte de donneacutees
11 Preacutesentation de lrsquoentreprise
Lrsquoentreprise pour laquelle le projet est reacutealiseacute est Amobi Cette compagnie fait partie du
Groupe Dion qui possegravede plusieurs divisions soit industrielles (Pro-AB Eacutequipement TNO
Dion Peinture Industrielle Amobi Acces Industriel Access Mining Services) automobiles
(Action Kia Acces Toyota Hino Nord-Ouest Location Dion Au Carrossier) et de produits
reacutecreacuteatifs (Eacutequipement TNO Marine Lamy et Amobi) Amobi est un manufacturier de siegraveges
pneumatiques ergonomiques haut de gamme pour camions autobus et eacutequipements industriels
Amobi fabrique eacutegalement des toiles protectrices multiusages pour bateaux pontons motos
tracteurs et motoneiges Dans ce travail et dans ceux qui suivront nous ne traiterons toutefois
pas davantage de ces derniers puisque notre projet relegraveve plutocirct du deacutepartement qui srsquooccupe de
la fabrication des siegraveges Amobi dessert le marcheacute canadien mais exporte aussi ces siegraveges agrave des
agents manufacturiers et des distributeurs disperseacutes dans diffeacuterentes reacutegions des Eacutetats-Unis La
figure 2 preacutesente la gamme de siegraveges fabriqueacutee par Amobi
Figure 1 Modegraveles de siegraveges fabriqueacutes par Amobi
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12 Description du produit
Les siegraveges fabriqueacutes par Amobi sont constitueacutes de plusieurs ballons indeacutependants qui se
gonflent pour srsquoadapter agrave la masse et agrave la taille du conducteur Ces ballons apportent un support
dorsal et lateacuteral qui combineacute agrave la base pneumatique agrave amortisseurs permet de diminuer
lrsquoimpact des chocs et des vibrations creacuteeacutes par la route sur le corps du conducteur
Ces siegraveges sont entiegraverement reacuteglables crsquoest-agrave-dire que des manettes de controcircle permettent
lrsquoajustement de nombreux points selon les preacutefeacuterences du conducteur la position avant-arriegravere
du siegravege la profondeur et lrsquoinclinaison de lrsquoassise lrsquoinclinaison du dossier la forme de lrsquoassise
et du dossier la hauteur du siegravege et la suspension de la base du siegravege Les produits fabriqueacutes par
Amobi sont tregraves durables car ils doivent tenir aussi longtemps que le veacutehicule dans lequel ils
seront installeacutes De plus ils doivent aussi reacutesister agrave des ajustements tregraves freacutequents puisque ces
veacutehicules sont souvent conduits par un grand nombre de personnes diffeacuterentes
La majoriteacute des piegraveces composant les siegraveges sont fabriqueacutees par des sous-traitants
Lrsquoassemblage du produit final est cependant entiegraverement fait chez Amobi Crsquoest aussi lagrave que se
fait la conception lrsquoameacutelioration et le test des produits fabriqueacutes
Figure 2 Cellules pneumatiques gonflables dans le siegravege Tech 3001
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13 Description du proceacutedeacute
Les produits drsquoAmobi sont faits selon les besoins des clients et la majoriteacute de ceux-ci deacutesirent
que les siegraveges installeacutes dans leurs veacutehicules soient conformes aux normes volontaires de
Transport Canada Pour srsquoassurer de cette conformiteacute la compagnie doit tester elle-mecircme ses
siegraveges avant drsquoen produire un grand nombre lorsqursquoil srsquoagit drsquoun nouveau concept ou drsquoun
concept existant dont on a modifieacute des composantes structurales Crsquoest pourquoi Amobi srsquoest
doteacute drsquoun banc drsquoessai pour siegravege visant agrave tester la conformiteacute aux Normes de seacutecuriteacute des
veacutehicules automobiles du Canada (NSVAC ou CMVSS - Canada Motor Vehicle Safety
Standards) no 207 et 210
Les essais effectueacutes visent agrave tester la reacuteaction du siegravege et de son ancrage agrave diffeacuterentes forces
appliqueacutees sur celui-ci Le banc est donc constitueacute drsquoun cadre de meacutetal sur lequel est installeacute un
exemple drsquoancrage de siegravege fourni par la compagnie Novabus client drsquoAmobi ainsi que drsquoune
uniteacute composeacutee de deux cylindres hydrauliques pour appliquer les forces en question
Figure 3 Banc drsquoessai agrave lrsquoœuvre sur un siegravege de la compagnie Amobi chez PMG Technologies agrave Blainville
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14 Mise en contexte de la probleacutematique
Preacutesentement lrsquoentreprise a un banc drsquoessai qui est utiliseacute pour effectuer les tests normatifs
exigeacutes par les normes CMVSS 207 et 210 Lrsquouniteacute de controcircle utiliseacute jusqursquoagrave ce jour preacutesente
des restrictions majeures tel que
1 Seule une personne expeacuterimenteacutee dans le controcircle des valves soleacutenoiumldes est apte agrave
opeacuterer le banc de faccedilon acceptable Le banc drsquoessai ne dispose pas drsquoune interface
homme-machine conviviale
2 Le controcircle des forces appliqueacutees par les veacuterins hydrauliques se fait par le reacuteglage des
valves Les forces ne sont pas appliqueacutees instantaneacutement
3 Le banc drsquoessai actuel ne permet pas drsquoappliquer deux forces simultaneacutement sur le
siegravege
4 Il y a un leacuteger deacuteplacement du siegravege pendant lrsquoopeacuteration du banc drsquoessai ce qui fait en
sorte que les forces reacuteelles appliqueacutees par les cylindres ne demeurent pas constantes
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai doit continuellement surveiller plusieurs manomegravetres et
ajuster la pression dans les cylindres pour corriger les effets de cette perturbation
5 La mesure des pressions deacuteployeacutees est peacutenible agrave cause de lrsquoimpreacutecision de lrsquoeacutechelle des
cadrans des manomegravetres Il est ainsi impossible drsquoopeacuterer le banc drsquoessai agrave basse
pression
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15 Objectifs contraintes et restrictions
Lrsquoobjectif principal de ce projet est de concevoir une uniteacute de controcircle reacutesolvant les restrictions
majeures que rencontre le banc drsquoessai preacutesentement En drsquoautres mots Amobi veut disposer
drsquoun banc drsquoessai permettant drsquoeffectuer tous les tests relieacutes aux normes CMVSS 207-210 en
gagnant en flexibiliteacute et faciliteacute drsquoutilisation Drsquoautre part lrsquoune des contraintes de ce projet est
lrsquoadaptation de la solution recommandeacutee sur le banc drsquoessai existant Il y a eacutegalement une
contrainte moneacutetaire puisque lrsquoinvestissement total de lrsquoensemble de la solution ne doit pas
deacutepasser 8000 $ Le client est agrave la recherche drsquoune solution la plus abordable possible puisque
le banc drsquoessai nrsquoest utiliseacute que quelques fois par anneacutee
16 Formulation du mandat
Les tacircches du mandat de ce projet sont les suivantes
1 Analyser lrsquouniteacute actuelle
2 Concevoir une uniteacute de controcircle incluant
La seacutelection des composantes hydrauliques et eacutelectroniques
Le plan du circuit hydraulique de la solution finale
Le programme de lrsquouniteacute de controcircle
3 Concevoir une interface homme-machine conviviale
4 Reacutediger un mode drsquoemploi pour lrsquoutilisation du banc drsquoessai
5 Eacutevaluer le budget neacutecessaire pour fabriquer la nouvelle uniteacute
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17 Normes applicables
La compagnie SRD Bolduc Inc a preacutepareacute en 2005 pour Amobi un document deacutecrivant les
proceacutedures agrave suivre les informations agrave rapporter et le format des rapports drsquoessais requis pour
deacutemontrer la conformiteacute de siegraveges de veacutehicules aux normes de seacutecuriteacute des veacutehicules
automobiles du Canada NSVACCMVSS no 207 (ancrage des siegraveges) et 210 (ancrage de
ceinture de seacutecuriteacute) Vous retrouvez ci-dessous la description des trois tests normatifs qui
doivent ecirctre effectueacutes sur les siegraveges que lrsquoon deacutesire tester
Test No 1ndash Application de la force produisant un couple [NSVAC 207 1(b)ii(A)]
Figure 4 Point drsquoapplication de la force
Eacutetape 1
Appliquer une charge (en livres) eacutegale agrave 3300 diviseacutee par la distance laquo D raquo La distance laquo D raquo
eacutetant la distance en pouces entre le point de reacutefeacuterence assise2 et la piegravece transversale la plus
eacuteleveacutee du dossier ou de la partie supeacuterieure du dossier La charge doit ecirctre appliqueacutee sur la
partie transversale la plus eacuteleveacutee du dossier et vers lrsquoarriegravere agrave un angle de 0 degreacute
Eacutetape 2
Relacirccher la charge
2 La meacutethode pour deacuteterminer le point de reacutefeacuterence assise est expliqueacutee en annexe
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Test No 2ndash Application de la charge vers lrsquoarriegravere [NSVAC 207 1(a)i(B)]
Figure 5 Point dapplication de la force
Eacutetape 1
Appliquer une charge (en livres) eacutegale agrave 20 fois le poids du siegravege sur un intervalle de temps de
29 secondes La charge doit ecirctre appliqueacutee au centre de graviteacute du siegravege et vers lrsquoarriegravere agrave un
angle de 0 degreacute
Eacutetape 2
Maintenir la charge pendant au moins 10 secondes
Eacutetape 3
Relacirccher la charge
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Test No 3ndash Application simultaneacutee des forces [NSVAC 207 1(a)ii]
Figure 6 Points drsquoapplication des charges
Eacutetape 1
Appliquer 2 charges simultaneacutement sur un intervalle de temps de 29 secondes
- La premiegravere charge (en livres) est eacutegale agrave 20 fois le poids du siegravege et est appliqueacutee au
centre de graviteacute du siegravege vers lrsquoavant agrave un angle de 0 degreacute
- La valeur de la seconde charge deacutepend du type de ceinture installeacutee sur le siegravege Srsquoil
srsquoagit drsquoune ceinture de type I3 la charge agrave appliquer est de 5000 livres Si la ceinture
est de type II4 la charge agrave appliquer est de 3000 livres Cette charge doit ecirctre appliqueacutee
par le biais drsquoune forme de corps retenue par la ceinture de seacutecuriteacute du veacutehicule agrave un
angle compris entre 5 et 10 degreacutes de lrsquohorizontale
Eacutetape 2
Maintenir les charges pendant au moins 10 secondes
Eacutetape 3
Relacirccher les charges
3 Ceinture de seacutecuriteacute agrave 2 points drsquoancrage ougrave une seule sangle est raccordeacutee de chaque cocircteacute du bassin 4 Ceinture de seacutecuriteacute agrave 3 points drsquoancrage ougrave la sangle agrave deux points remonte en travers la poitrine du passager
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2 CADRE THEacuteORIQUE ET EacuteLABORATION DES HYPOTHEgraveSES
21 Cadre theacuteorique
Tout systegraveme agrave fluide sous pression comme celui du banc drsquoessai est toujours composeacute de trois
types de composantes soit
‐ Les composantes actives qui convertissent et modulent lrsquoeacutenergie
‐ Les composantes de liaison qui acheminent lrsquoeacutenergie drsquoune composante active agrave une
autre du moteur agrave la charge
‐ Les composantes passives qui exercent des fonctions secondaires mais qui sont
essentielles pour assurer le bon fonctionnement du systegraveme
Figure 7 Diagramme des principales composantes dun systegraveme hydraulique
211 Composantes actives
2111 Geacuteneacuterateurs
Sur le banc drsquoessai crsquoest la pompe (geacuteneacuterateur pour les liquides) qui produit lrsquoeacutenergie fluide
(volume de fluide sous pression) La puissance fluide est le taux de variation de cette eacutenergie
fluide et est obtenue en multipliant le deacutebit Q et la pression p du fluide
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La pompe se caracteacuterise par sa cylindreacutee D qui deacutepend du volume de fluide refouleacute par uniteacute
de deacuteplacement angulaire de lrsquoarbre (tour ou radian) Les variables de sortie Q et P peuvent ecirctre
exprimeacutees en fonction des variables drsquoentreacutee ωi et Ti selon les eacutequations suivantes
Q ω D
ougrave Q = deacutebit (m3s)
ωi = vitesse angulaire (rads)
D = cylindreacutee (m3rad)
p = pression (Pa)
Ti = couple (Nm)
En consideacuterant la pompe comme un geacuteneacuterateur ideacuteal permettant de transformer lrsquoeacutenergie fluide
sans aucune perte on peut affirmer que la puissance fluide P au refoulement est eacutegale agrave la
puissance meacutecanique drsquoentreacutee Pi soit
ougrave
ougrave Pi est exprimeacute en watts
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2112 Modulateurs
Les modulateurs dans le systegraveme hydraulique sont les valves de direction (distributeurs) les
valves de pression et les valves de deacutebit Sur le banc drsquoessai les valves de direction
(distributeurs) permettent de diriger le fluide drsquoun cocircteacute ou de lrsquoautre dans les veacuterins
(reacutecepteurs) pour qursquoils puissent travailler dans la direction voulue
Les valves de pression et les valves de deacutebit servent respectivement agrave controcircler la pression et le
deacutebit du fluide qui est livreacute aux reacutecepteurs (veacuterins) Lorsque lrsquohuile hydraulique traverse une
valve de pression le fluide est soumis agrave une reacuteduction de pression (de p agrave prsquo) et lorsque cette
huile traverse une valve de deacutebit elle subit une limitation de deacutebit (de Q agrave Qrsquo)
2113 Reacutecepteurs
Les reacutecepteurs dans le systegraveme hydraulique sont agrave mouvement lineacuteaire Les veacuterins sont des
reacutecepteurs qui absorbent lrsquoeacutenergie fluide et la transforment pour produire un travail meacutecanique
en translation Le veacuterin reccediloit le fluide sous pression et en extrait lrsquoeacutenergie avant de le renvoyer
vers le reacuteservoir Le veacuterin est caracteacuteriseacute par une aire A Ainsi on peut exprimer les deux
variables de sortie vo et Fo en fonction des deux variables drsquoentreacutee prsquo et Qrsquo selon les eacutequations
suivantes
prime
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Dans le cas drsquoun veacuterin ideacuteal on peut eacutecrire
Soit
Ougrave vo = vitesse (ms)
A = aire effective (m2)
Fo = force (N)
212 Composantes de liaison
Dans le systegraveme hydraulique les composantes de liaison sont le fluide lui-mecircme et les diverses
canalisations Lrsquohuile hydraulique (fluide) sert agrave transporter lrsquoeacutenergie fluide mais aussi agrave
lubrifier les piegraveces mobiles des veacuterins Cette huile circule dans les canalisations drsquoune
composante agrave une autre Pour eacuteviter drsquoinfluencer lrsquoefficaciteacute et la fiabiliteacute du systegraveme
hydraulique on doit bien choisir dimensionner et installer les canalisations
213 Composantes passives
Les composantes passives du systegraveme hydraulique sont respectivement le reacuteservoir de la pompe
qui permet le stockage de lrsquohuile et la creacutepine qui est un filtre grossier qui protegravege le fluide
contre les polluants externes
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22 Eacutelaboration des hypothegraveses
Voici toutes les hypothegraveses qui ont eacuteteacute poseacutees dans le cadre de ce projet
- La pompe fournie suffisamment de puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins
simultaneacutement
- Les pertes volumeacutetriques dans le circuit sont consideacutereacutees comme eacutetant neacutegligeables
- La pompe se deacutecharge par une valve de mise agrave vide lorsque les veacuterins sont au repos
- Le troisiegraveme distributeur installeacute par Geacuteliko Inc est inutile actuellement
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3 MISE EN ŒUVRE DU MANDAT
31 La recherche de solutions
311 Solution No 1 - Automate programmable
Un automate programmable industriel (API) est un dispositif eacutelectronique qui exerce des
fonctions de controcircle de processus industriels Sa fonction est drsquoenvoyer des commandes aux
preacuteactionneurs (ex les valves) agrave partir des donneacutees drsquoentreacutees qui proviennent des diffeacuterents
capteurs LrsquoAPI est composeacutee drsquoune uniteacute de calculs (processeur) drsquoune alimentation ACDC
et de modules qui sont choisis selon les besoins de lrsquoapplication tel que les cartes drsquoentreacutees-
sorties les modules de communication les modules de commande etc LrsquoAPI peut ecirctre relieacutee agrave
une interface homme-machine agrave un pupitre opeacuterateur agrave une interface graphique ou agrave un
ordinateur Les langages de programmation standards de lrsquoAPI sont le Grafcet et le Ladder
Figure 8 API de marque Allen-Bradley
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Tableau 1 Avantages et inconveacutenients drsquoun automate programmable
Avantages Inconveacutenients
Peu encombrant
Temps de reacuteponse rapide
Facile agrave programmer
Consommation eacutelectrique
acceptable
Configurables et extensibles par
modules
Robuste
Dispendieux pour les petites ou
simples applications
Logiciel de programmation non
gratuit
312 Solution No 2 - Microcontrocircleur
Un microcontrocircleur est comme lrsquoAPI un dispositif eacutelectronique programmable qui peut lire des
signaux drsquoentreacutees et envoyer des signaux de commande agrave des peacuteripheacuteriques externes De plus
le microcontrocircleur rassemble dans un circuit inteacutegreacute tous les eacuteleacutements essentiels agrave son bon
fonctionnement soit le processeur la meacutemoire les uniteacutes peacuteripheacuteriques et les interfaces
drsquoentreacutees-sorties Les langages de programmation des microcontrocircleurs sont varieacutes Basic C
C++ Java etc
Figure 9 Microcontrocircleur de marque Arduino
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Tableau 2 Avantages et inconveacutenients drsquoun microcontrocircleur
Avantages Inconveacutenients
Tregraves peu encombrant
Tregraves faible consommation
eacutelectrique
Logiciel de programmation
geacuteneacuteralement gratuit
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Peu drsquoentreacuteessorties
Langages de programmation plus
contraignants que le Ladder et le
Grafcet
Non extensible
Tregraves fragile
Vitesse de fonctionnement plus
faible
313 Solution No 3 - Relais
Avant lrsquoavegravenement de lrsquoautomate programmable dans le deacutebut des anneacutees 1970 les systegravemes
eacutetaient automatiseacutes agrave lrsquoaide de relais Les relais peuvent ecirctre activeacutes et deacutesactiveacutes sans
interrupteur manuel Aujourdrsquohui les relais servent agrave reacuteduire la taille des panneaux de controcircle
des machines ou agrave creacuteer des cycles drsquoautomatismes simples Mais pour les automatismes qui
requiegraverent un grand nombre drsquoentreacutees sorties on doit remplacer le systegraveme de relayage
devenant trop complexe par un automate programmable
Figure 10 Relais meacutecanique
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Tableau 3 Avantages et inconveacutenients drsquoun relais
Avantages Inconveacutenients
Pas de programmation requise
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Tregraves encombrant
Solution non ideacuteale pour creacuteer des
cycles drsquoautomatismes complexes
Technologie vieillissante
32 Eacutelaboration du baregraveme
Le baregraveme est essentiel lors de lrsquoeacutetape de la prise de deacutecision pour accorder le pointage agrave
chaque solution et pour permettre au concepteur de se fixer des prioriteacutes de conception Le
baregraveme est conccedilu en fonction des critegraveres de qualiteacutes rechercheacutees que lrsquoon associe agrave une eacutechelle
de satisfaction avec une pondeacuteration de 1 agrave 4
Tableau 4 Baregraveme
Critegraveres Objectif 1 2 3 4 Simpliciteacute La programmation
etou lrsquoinstallation de la solution doivent ecirctre faciles
Tregraves difficile Difficile Facile Tregraves facile
Compatibiliteacute Lrsquouniteacute doit ecirctre compatible avec les eacutequipements du banc drsquoessai
Pas compatible Peu compatible Compatible Tregraves compatible
Espace Lrsquoespace requis pour installer lrsquouniteacute est limiteacute
Volume imposant Volume eacuteleveacute Volume moyen Volume neacutegligeable
Fiabiliteacute Durabiliteacute
Lrsquouniteacute doit ecirctre fiable et durable
Tregraves faible Moyennement faible
Moyennement eacuteleveacute
Eacuteleveacute
Coucirct Les contraintes budgeacutetaires doivent ecirctre respecteacutees
Tregraves dispendieux Dispendieux Abordable Tregraves abordable
Efficaciteacute eacutenergeacutetique
La consommation eacutelectrique doit diminuer
Consommation eacuteleveacutee
Consommation normale
Consommation faible
Consommation tregraves faible
Seacutecuriteacute Les risques drsquoaccident de travail doivent diminuer
Tregraves risqueacute Risqueacute Peu risqueacute Aucun risque
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33 Matrice de deacutecision Le tableau suivant preacutesente la matrice de deacutecision Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation de chacune des
solutions on a attribueacute agrave chaque critegravere une note situeacutee en 1 et 4 Les notes des critegraveres sont
multiplieacutees par leurs pondeacuterations respectives ils sont ensuite additionneacutes puis enfin diviser par
4 pour obtenir la note en pourcentage de chaque solution Selon les scores obtenus crsquoest
lrsquoautomate programmable qui est consideacutereacute comme eacutetant la meilleure uniteacute de controcircle
Tableau 5 Matrice de deacutecision
Critegraveres Pondeacuteration Solution 1 2 3
Automate programmable
Microcontrocircleur Relais
Simpliciteacute 30 4 3 1 Compatibiliteacute 20 4 2 1
Espace 5 3 4 1 FiabiliteacuteDurabiliteacute 10 4 2 1
Coucirct 15 2 4 3 Efficaciteacute
eacutenergeacutetique 5 3 4 2
Seacutecuriteacute 15 4 1 1 Reacutesultat 100 90 662 338
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34 La conception de la solution recommandeacutee
341 Eacutetude du systegraveme hydraulique existant
La preacutesente section est une eacutetude plus deacutetailleacutee portant sur les principales composantes dont est
constitueacute le banc drsquoessai actuel Lrsquoeacutetude comporte une analyse de leurs caracteacuteristiques
principales et de leurs modes de fonctionnements On y preacutesente eacutegalement les symboles
graphiques de ces composantes Cette eacutetude est une eacutetape primordiale pour pouvoir bien choisir
les nouveaux eacutequipements et concevoir le circuit hydraulique de la solution finale
3411 Ensemble pompe-moteur-reacuteservoir
Comme dans les tous systegravemes hydrauliques le banc drsquoessai dispose drsquoun ensemble pompe-
moteur-reacuteservoir La pompe transforme lrsquoeacutenergie meacutecanique fournie par le moteur eacutelectrique
rotatif en eacutenergie fluide La pompe deacutemarre degraves qursquoon branche le moteur eacutelectrique agrave la prise de
courant Vous retrouverez ci-dessous les speacutecifications de ces composantes et une photo prise
sur place de lrsquoensemble
Moteur eacutelectrique AC
Figure 11 Repreacutesentation scheacutematique du moteur eacutelectrique AC
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Tableau 6 Speacutecifications du moteur eacutelectrique
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Puissance
(HP)
Voltage
(V)
Vitesse
(RPM)
HY-SPEC MFG03 HYSW850203-1G 1 110220 1800
Pompe
Tableau 7 Speacutecifications de la pompe (supposition5)
Marque Deacutebit max
(GPM)
Pression max
(PSI)
Cylindreacutee
(cm3tr)
Inconnu 18 3200 PSI 4
Reacuteservoir
Figure 12 Repreacutesentation scheacutematique du reacuteservoir
5 Le deacutebit et la pression pouvant ecirctre fournie par la pompe sont des informations qui ont eacuteteacute fournies par
lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai mais qui ne sont pas veacuterifiables
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Tableau 8 Speacutecifications du reacuteservoir
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Volume
(L)
HY-SPEC V120 HYSW880117 12
Figure 13 Photo de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir
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3412 Bloc Manifold (bloc foreacute)
Un bloc manifold est un bloc de meacutetal avec plusieurs canaux inteacutegreacute conccedilu pour la conduite de
fluide dans des espaces confineacutes On retrouve sur le bloc des caviteacutes dans lesquelles on peut
installer diffeacuterentes composantes hydrauliques (valves manomegravetres tuyau etc)
Tableau 9 Speacutecifications du bloc manifold
Marque Numeacutero de
seacuterie
Description Nombre
de
sections
Ports Orifice
de
seacutecuriteacute
Pression
drsquoopeacuteration
maximale
(PSI)
HY-
SPEC
HYSDD03-
P-03-2SS
Type D03
Circuit
parallegravele
3 P amp T = SAE 10
A amp B = SAE 8
GA = SAE 6
T-10A 5000
Figure 14 Photo du bloc manifold
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3413 Veacuterins
Les 2 veacuterins hydrauliques utiliseacutes dans le banc drsquoessai sont des veacuterins agrave mouvement lineacuteaire et agrave
double effet (deux directions de travail) qui convertissent lrsquoeacutenergie fluide en eacutenergie
meacutecanique Chaque veacuterin est composeacute drsquoun tube cylindrique (le cylindre) dans lequel est
inseacutereacutee une piegravece mobile (le corps du piston) qui assure lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre deux chambres La
tige rigide qui est relieacutee au corps du piston sert agrave transmettre lrsquoeffort et le deacuteplacement Les
veacuterins comportent deux orifices (alimentation et refoulement) et la pression peut ecirctre appliqueacutee
de chaque cocircteacute du piston pour entraicircner son deacuteplacement dans un sens ou dans lautre Ce sont
les distributeurs qui permettent drsquointervertir les rocircles des deux orifices pour controcircler la
direction de la tige
Par ailleurs il peut y avoir des fuites volumeacutetriques internes et externes dans les veacuterins et qui
sont indeacutesirables car elles reacuteduisent la dureacutee de vie et le rendement des veacuterins La fuite interne
est en fait un eacutecoulement de lrsquohuile de la chambre agrave haute pression vers la chambre agrave basse
pression qui est due au jeu entre le corps du piston et la paroi interne du cylindre Il peut
eacutegalement y avoir une fuite externe due au jeu entre la tige du piston et la tecircte du cylindre Pour
reacuteduire ces fuites on installe des joints drsquoeacutetancheacuteiteacutes sur le corps du piston et sur la tecircte du
cylindre
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees)
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Leacutegende
1 Cylindre 5 Chambre de refoulement
2 Piston A Orifice drsquoadmission
3 Tige R Orifice de refoulement
4 Chambre drsquoadmission
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin
La principale caracteacuteristique des veacuterins est lrsquoaire effective sur laquelle le fluide exerce une
pression Les aires effectives du corps du piston (cocircteacute fond du veacuterin et cocircteacute tecircte du veacuterin) sont
diffeacuterentes agrave cause de la preacutesence de la tige sur une seule face du corps du piston Par
conseacutequent pour des mecircmes pressions drsquoadmission la force de contraction est plus faible que
la force drsquoextension Les eacutequations ci-dessous servent agrave convertir les forces (lb) en pression
(psi) selon le sens drsquoapplication du veacuterin
Calcul pour la conversion force-pression
Diamegravetre du piston6 25 po
Diamegravetre de la tige 15 po
lowast egrave
4lowast 25po
449087
lowast egrave
4lowast 15po
417671
ocirc eacute ecirc eacute
ocirc eacute eacute
6 Bore est le terme eacutequivalent du corps du piston
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Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins
Marque Numeacutero de seacuterie Type drsquoorifices Poids
(livres)
Pression
maximale
(pouce)
HY-SPEC HYS 25FEM24-NW SAE-8 40 3000 PSI
3414 Manomegravetre
Actuellement les pressions exerceacutees dans le bloc manifold et dans chaque chambre des veacuterins
sont mesureacutees agrave lrsquoaide de manomegravetre agrave glyceacuterine
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine
Marque Numeacutero de seacuterie Localisation Diamegravetre
(pouce)
Connexion Eacutechelle du
cadran
(PSI)
HY-
SPEC
HYSG22LXB3000PSI-
14NPT
Bloc
manifold
25
frac14 NPT
0 agrave 3000
HY-
SPEC
HYSG22LXB5000PSI-
14NPT
2 par veacuterin 0 agrave 5000
G
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold
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3415 Les distributeurs
Dans le systegraveme hydraulique les distributeurs (valves de distribution) sont les composantes
actives (modulateurs) qui permettent la distribution du flux drsquoeacutenergie vers les 2 veacuterins
(reacutecepteurs) pour les libeacuterer les arrecircter ou les reacutetracter Sur les trois distributeurs installeacutes sur le
banc drsquoessai seuls 2 drsquoentre eux sont utiliseacutes Le troisiegraveme distributeur a eacuteteacute installeacute au cas ougrave
un troisiegraveme veacuterin serait neacutecessaire pour reacutealiser des tests futurs drsquoapregraves lrsquoopeacuterateur du banc
drsquoessai Il srsquoagit de distributeurs agrave tiroir (de type coulissant) agrave quatre orifices et agrave trois positions
agrave action piloteacutee agrave commande eacutelectrique par soleacutenoiumldes et agrave centrage par ressort de rappel
En alimentant lrsquoun des deux soleacutenoiumldes avec un courant eacutelectrique le tiroir du distributeur se
deacuteplace et lrsquohuile circule par des canaux internes de la valve vers lrsquoune des extreacutemiteacutes du tiroir
principal pendant que lrsquoautre extreacutemiteacute de ce tiroir est raccordeacutee au reacuteservoir du systegraveme par
lrsquoaction du distributeur pilote La pression qui srsquoexerce sur la face du tiroir principal engendre
une force qui pousse ce dernier et le maintien en position agrave voies parallegraveles ou en position agrave
voies croiseacutees En alternant entre la position agrave voies parallegraveles et la position agrave voies croiseacutees le
sens de lrsquoeacutecoulement du fluide dans le veacuterin change et donc le sens de lrsquoapplication de la force
Par ailleurs lorsque les deux soleacutenoiumldes du distributeur ne sont plus alimenteacutes par un courant
eacutelectrique le tiroir principal revient agrave sa position de repos gracircce agrave la pousseacutee du ressort de
rappel Puisqursquoil srsquoagit de distributeurs agrave centre fermeacute lrsquohuile ne peut alors plus circuler dans
les distributeurs et ecirctre achemineacutee dans les veacuterins
Figure 18 Les trois positions des distributeurs
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Leacutegende
T Orifice du reacuteservoir
P Orifice de la pompe
A amp B Admission et refoulement
1 Tiroir
2 Corps de valve
3 Ressort de rappel
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute
Figure 20 Photos des 3 distributeurs
Marque Numeacutero de seacuterie Tension
(V)
Deacutebit
max
(GPM)
Pression admissible
(PSI)
HY-
SPEC
HYSFW-02-3C2-
B110-Z5L-50
24 DC 9 4750
(Orifice A B P)
2320
(Orifice T)
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La commande des distributeurs
Actuellement lrsquoalimentation des soleacutenoiumldes en courant se fait via deux manettes de controcircle
On retrouve sur ces manettes au total 6 boutons qui permettent lrsquoactivation de chacun des
soleacutenoiumldes Le soleacutenoiumlde demeure alimenteacute tant que lrsquoopeacuterateur exerce une pression sur le
bouton Eacutevidemment ces manettes deviendront inutiles lorsque les soleacutenoiumldes seront alimenteacutes
par lrsquoautomate programmable dans la solution finale
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle
Marque Numeacutero de seacuterie Nombre de boutons
HY-SPEC
HYST90009-3P 2
HYST90012-3P 4
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle
Figure 22 Boicircte de conversion7 entre la manette et le distributeur
7 Aucune speacutecification nrsquoest disponible pour la boicircte de conversion des manettes de controcircle
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3416 Limiteurs de deacutebit
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit
Les limiteurs de deacutebit permettent de controcircler les deacutebits drsquoalimentation des veacuterins et par ce fait
les vitesses de sortie et de rentreacutee des tiges des deux veacuterins Pour y arriver ces valves reacutegulent
le deacutebit du fluide en diminuant la section de lrsquoouverture emprunteacutee par celui-ci Le deacutebit est
proportionnel agrave cette ouverture et agrave la racine carreacutee de la perte de charge Sur le banc drsquoessai on
retrouve 2 eacutetrangleurs reacuteglables agrave pointeau par veacuterin Lrsquoeacutetrangleur agrave pointeau est coupleacute dans le
mecircme corps de la valve avec un clapet de retenue avec ressort8 pour que le deacutebit ne soit limiteacute
que dans un seul sens de lrsquoeacutecoulement
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort
Marque Numeacutero de seacuterie Type
Vickers DGMFN-3-Y-A2W-B2W-41 Port double
8 Il y a ouverture du clapet si la pression drsquoentreacutee est supeacuterieure agrave la somme de la pression de sortie et de la pression du ressort
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
Vinc
342
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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BIBLIOGRAPHIE
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
iv
ABSTRACT The project is realized for Amobi a manufacturer of lift seats that must perform a few times a
year some tests on the seats to be conforming to standard of Transport Canada CMVSS-207-
210 These tests consist in applying forces on the seat with a test bench make with two
cylinders Presently the actuators canrsquot apply two forces simultaneously on the seat during the
test as required in the standards and force the operator to apply forces alternately Also during
the period when the second hydraulic cylinder is moved to the desired pressure the seat moves
slightly and it ensures that the actual force applied by the first cylinder does not remain
constant Finally the operator must continuously monitor several gauges and adjust the
pressure in the cylinder to correct the effects of disturbances
The research phase has allowed finding some solutions and itrsquos the PLC that has been selected
as a control unit The study of the actual test bench has allowed the design of the hydraulic
system of the final solution and to choose the hydraulic and electronic components that are
appropriate for automating the test bench
v
TABLE DES MATIEgraveRES
REMERCIEMENTS ii
REacuteSUMEacute iii
ABSTRACT iv
LISTE DES TABLEAUX vii
LISTE DES FIGURES viii
LISTE DES ABREacuteVIATIONS x
INTRODUCTION 11
1 EacuteTUDE DES BESOINS ET MANDAT 12
11 Preacutesentation de lrsquoentreprise 12
12 Description du produit 13
13 Description du proceacutedeacute 14
14 Mise en contexte de la probleacutematique 15
15 Objectifs contraintes et restrictions 16
16 Formulation du mandat 16
17 Normes applicables 17
Test No 1ndash Application de la force produisant un couple [NSVAC 207 1(b)ii(A)] 17
Test No 2ndash Application de la charge vers lrsquoarriegravere [NSVAC 207 1(a)i(B)] 18
Test No 3ndash Application simultaneacutee des forces [NSVAC 207 1(a)ii] 19
2 CADRE THEacuteORIQUE ET EacuteLABORATION DES HYPOTHEgraveSES 20
211 Composantes actives 20
2111 Geacuteneacuterateurs 20
2112 Modulateurs 22
2113 Reacutecepteurs 22
212 Composantes de liaison 23
213 Composantes passives 23
22 Eacutelaboration des hypothegraveses 24
vi
3 MISE EN ŒUVRE DU MANDAT 25
31 La recherche de solutions 25
311 Solution No 1 - Automate programmable 25
312 Solution No 2 - Microcontrocircleur 26
313 Solution No 3 - Relais 27
32 Eacutelaboration du baregraveme 28
33 Matrice de deacutecision 29
34 La conception de la solution recommandeacutee 30
341 Eacutetude du systegraveme hydraulique existant 30
342 Choix des composantes 47
343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale 50
344 Asservissement du systegraveme hydraulique 52
4 ESTIMATION DES COUcircTS 54
5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute 55
6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE 56
CONCLUSION 57
RECOMMANDATIONS 58
BIBLIOGRAPHIE 59
ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique 60
ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc 66
ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle 67
ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles 71
ANNEXE-E Manomegravetre digital 79
ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute 81
vii
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1 Avantages et inconveacutenients drsquoun automate programmable 26
Tableau 2 Avantages et inconveacutenients drsquoun microcontrocircleur 27
Tableau 3 Avantages et inconveacutenients drsquoun relais 28
Tableau 4 Baregraveme 28
Tableau 5 Matrice de deacutecision 29
Tableau 6 Speacutecifications du moteur eacutelectrique 31
Tableau 7 Speacutecifications de la pompe (supposition) 31
Tableau 8 Speacutecifications du reacuteservoir 32
Tableau 9 Speacutecifications du bloc manifold 33
Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins 36
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine 36
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute 38
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle 39
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort 40
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire 42
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
43
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec
soleacutenoiumlde 46
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie 48
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112 48
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital 49
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique 50
viii
LISTE DES FIGURES
Figure 1 Modegraveles de siegraveges fabriqueacutes par Amobi 12
Figure 2 Cellules pneumatiques gonflables dans le siegravege Tech 3001 13
Figure 3 Banc drsquoessai agrave lrsquoœuvre sur un siegravege de la compagnie Amobi chez PMG Technologies agrave
Blainville 14
Figure 4 Point drsquoapplication de la force 17
Figure 5 Point dapplication de la force 18
Figure 6 Points drsquoapplication des charges 19
Figure 7 Diagramme des principales composantes dun systegraveme hydraulique 20
Figure 8 API de marque Allen-Bradley 25
Figure 9 Microcontrocircleur de marque Arduino 26
Figure 10 Relais meacutecanique 27
Figure 11 Repreacutesentation scheacutematique du moteur eacutelectrique AC 30
Figure 12 Repreacutesentation scheacutematique du reacuteservoir 31
Figure 13 Photo de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir 32
Figure 14 Photo du bloc manifold 33
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees) 34
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin 35
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold 36
Figure 18 Les trois positions des distributeurs 37
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur 38
Figure 20 Photos des 3 distributeurs 38
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle 39
Figure 22 Boicircte de conversion entre la manette et le distributeur 39
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit 40
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit 40
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique 41
Figure 26 Photo des limiteurs de pression 42
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P 42
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold 43
ix
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute 45
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee 45
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide 46
Figure 32 Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle de type cartouche 47
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05
lmn) 48
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie 49
Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale 51
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence 55
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
56
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en
fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68) 62
x
LISTE DES ABREacuteVIATIONS
API Automate programmable industriel
PLC Programmable Logic Controller (eacutequivalent anglais de API)
CPU Central Processing Unit (eacutequivalent anglais de processeur)
ES EntreacuteeSortie
GRAFCET Graphe fonctionnel de commande drsquoeacutetape-transition
PID Proportionnel inteacutegral deacuteriveacute
GEMMA Guide drsquoeacutetude des modes de marches et arrecircts
CA Courant alternatif
CC Courant continu
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INTRODUCTION
Le preacutesent document est le fruit du travail effectueacute dans le cadre du projet drsquoeacutetude en
ingeacutenierie Le projet en question est reacutealiseacute pour Amobi un manufacturier de siegraveges
pneumatiques ergonomiques haut de gamme pour camions autobus et eacutequipements industriels
Les clients drsquoAmobi deacutesirent que les siegraveges installeacutes dans leurs veacutehicules soient conformes aux
normes de seacutecuriteacute volontaire1 des CMVSS no 207 et 210 de Transport Canada Lrsquoobjectif
principal de ce projet est de concevoir une uniteacute de controcircle pour reacutesoudre les restrictions
majeures que rencontre le banc drsquoessai preacutesentement Le banc drsquoessai actuel ne permet pas de
respecter la proceacutedure des tests et il est difficile agrave opeacuterer Pour atteindre cet objectif la seacutelection
des composantes hydrauliques et eacutelectroniques la conception du circuit hydraulique de la
solution finale lrsquoeacutecriture du programme de lrsquouniteacute de controcircle et la conception drsquoune interface
homme-machine doivent ecirctre effectueacutees
1 Une norme volontaire nrsquoa pas agrave ecirctre obligatoirement respecteacutee comparativement aux lois et regraveglements dicteacutes par les gouvernements provinciaux et feacutedeacuteraux La plupart du temps lrsquoentreprise consent agrave adheacuterer agrave ces normes autoreacuteglementaires puisque cela preacutesente plus davantages que dinconveacutenients
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1 EacuteTUDE DES BESOINS ET MANDAT
Cette section documente tous les renseignements obtenus lors de la collecte de donneacutees
11 Preacutesentation de lrsquoentreprise
Lrsquoentreprise pour laquelle le projet est reacutealiseacute est Amobi Cette compagnie fait partie du
Groupe Dion qui possegravede plusieurs divisions soit industrielles (Pro-AB Eacutequipement TNO
Dion Peinture Industrielle Amobi Acces Industriel Access Mining Services) automobiles
(Action Kia Acces Toyota Hino Nord-Ouest Location Dion Au Carrossier) et de produits
reacutecreacuteatifs (Eacutequipement TNO Marine Lamy et Amobi) Amobi est un manufacturier de siegraveges
pneumatiques ergonomiques haut de gamme pour camions autobus et eacutequipements industriels
Amobi fabrique eacutegalement des toiles protectrices multiusages pour bateaux pontons motos
tracteurs et motoneiges Dans ce travail et dans ceux qui suivront nous ne traiterons toutefois
pas davantage de ces derniers puisque notre projet relegraveve plutocirct du deacutepartement qui srsquooccupe de
la fabrication des siegraveges Amobi dessert le marcheacute canadien mais exporte aussi ces siegraveges agrave des
agents manufacturiers et des distributeurs disperseacutes dans diffeacuterentes reacutegions des Eacutetats-Unis La
figure 2 preacutesente la gamme de siegraveges fabriqueacutee par Amobi
Figure 1 Modegraveles de siegraveges fabriqueacutes par Amobi
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12 Description du produit
Les siegraveges fabriqueacutes par Amobi sont constitueacutes de plusieurs ballons indeacutependants qui se
gonflent pour srsquoadapter agrave la masse et agrave la taille du conducteur Ces ballons apportent un support
dorsal et lateacuteral qui combineacute agrave la base pneumatique agrave amortisseurs permet de diminuer
lrsquoimpact des chocs et des vibrations creacuteeacutes par la route sur le corps du conducteur
Ces siegraveges sont entiegraverement reacuteglables crsquoest-agrave-dire que des manettes de controcircle permettent
lrsquoajustement de nombreux points selon les preacutefeacuterences du conducteur la position avant-arriegravere
du siegravege la profondeur et lrsquoinclinaison de lrsquoassise lrsquoinclinaison du dossier la forme de lrsquoassise
et du dossier la hauteur du siegravege et la suspension de la base du siegravege Les produits fabriqueacutes par
Amobi sont tregraves durables car ils doivent tenir aussi longtemps que le veacutehicule dans lequel ils
seront installeacutes De plus ils doivent aussi reacutesister agrave des ajustements tregraves freacutequents puisque ces
veacutehicules sont souvent conduits par un grand nombre de personnes diffeacuterentes
La majoriteacute des piegraveces composant les siegraveges sont fabriqueacutees par des sous-traitants
Lrsquoassemblage du produit final est cependant entiegraverement fait chez Amobi Crsquoest aussi lagrave que se
fait la conception lrsquoameacutelioration et le test des produits fabriqueacutes
Figure 2 Cellules pneumatiques gonflables dans le siegravege Tech 3001
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13 Description du proceacutedeacute
Les produits drsquoAmobi sont faits selon les besoins des clients et la majoriteacute de ceux-ci deacutesirent
que les siegraveges installeacutes dans leurs veacutehicules soient conformes aux normes volontaires de
Transport Canada Pour srsquoassurer de cette conformiteacute la compagnie doit tester elle-mecircme ses
siegraveges avant drsquoen produire un grand nombre lorsqursquoil srsquoagit drsquoun nouveau concept ou drsquoun
concept existant dont on a modifieacute des composantes structurales Crsquoest pourquoi Amobi srsquoest
doteacute drsquoun banc drsquoessai pour siegravege visant agrave tester la conformiteacute aux Normes de seacutecuriteacute des
veacutehicules automobiles du Canada (NSVAC ou CMVSS - Canada Motor Vehicle Safety
Standards) no 207 et 210
Les essais effectueacutes visent agrave tester la reacuteaction du siegravege et de son ancrage agrave diffeacuterentes forces
appliqueacutees sur celui-ci Le banc est donc constitueacute drsquoun cadre de meacutetal sur lequel est installeacute un
exemple drsquoancrage de siegravege fourni par la compagnie Novabus client drsquoAmobi ainsi que drsquoune
uniteacute composeacutee de deux cylindres hydrauliques pour appliquer les forces en question
Figure 3 Banc drsquoessai agrave lrsquoœuvre sur un siegravege de la compagnie Amobi chez PMG Technologies agrave Blainville
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14 Mise en contexte de la probleacutematique
Preacutesentement lrsquoentreprise a un banc drsquoessai qui est utiliseacute pour effectuer les tests normatifs
exigeacutes par les normes CMVSS 207 et 210 Lrsquouniteacute de controcircle utiliseacute jusqursquoagrave ce jour preacutesente
des restrictions majeures tel que
1 Seule une personne expeacuterimenteacutee dans le controcircle des valves soleacutenoiumldes est apte agrave
opeacuterer le banc de faccedilon acceptable Le banc drsquoessai ne dispose pas drsquoune interface
homme-machine conviviale
2 Le controcircle des forces appliqueacutees par les veacuterins hydrauliques se fait par le reacuteglage des
valves Les forces ne sont pas appliqueacutees instantaneacutement
3 Le banc drsquoessai actuel ne permet pas drsquoappliquer deux forces simultaneacutement sur le
siegravege
4 Il y a un leacuteger deacuteplacement du siegravege pendant lrsquoopeacuteration du banc drsquoessai ce qui fait en
sorte que les forces reacuteelles appliqueacutees par les cylindres ne demeurent pas constantes
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai doit continuellement surveiller plusieurs manomegravetres et
ajuster la pression dans les cylindres pour corriger les effets de cette perturbation
5 La mesure des pressions deacuteployeacutees est peacutenible agrave cause de lrsquoimpreacutecision de lrsquoeacutechelle des
cadrans des manomegravetres Il est ainsi impossible drsquoopeacuterer le banc drsquoessai agrave basse
pression
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15 Objectifs contraintes et restrictions
Lrsquoobjectif principal de ce projet est de concevoir une uniteacute de controcircle reacutesolvant les restrictions
majeures que rencontre le banc drsquoessai preacutesentement En drsquoautres mots Amobi veut disposer
drsquoun banc drsquoessai permettant drsquoeffectuer tous les tests relieacutes aux normes CMVSS 207-210 en
gagnant en flexibiliteacute et faciliteacute drsquoutilisation Drsquoautre part lrsquoune des contraintes de ce projet est
lrsquoadaptation de la solution recommandeacutee sur le banc drsquoessai existant Il y a eacutegalement une
contrainte moneacutetaire puisque lrsquoinvestissement total de lrsquoensemble de la solution ne doit pas
deacutepasser 8000 $ Le client est agrave la recherche drsquoune solution la plus abordable possible puisque
le banc drsquoessai nrsquoest utiliseacute que quelques fois par anneacutee
16 Formulation du mandat
Les tacircches du mandat de ce projet sont les suivantes
1 Analyser lrsquouniteacute actuelle
2 Concevoir une uniteacute de controcircle incluant
La seacutelection des composantes hydrauliques et eacutelectroniques
Le plan du circuit hydraulique de la solution finale
Le programme de lrsquouniteacute de controcircle
3 Concevoir une interface homme-machine conviviale
4 Reacutediger un mode drsquoemploi pour lrsquoutilisation du banc drsquoessai
5 Eacutevaluer le budget neacutecessaire pour fabriquer la nouvelle uniteacute
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17 Normes applicables
La compagnie SRD Bolduc Inc a preacutepareacute en 2005 pour Amobi un document deacutecrivant les
proceacutedures agrave suivre les informations agrave rapporter et le format des rapports drsquoessais requis pour
deacutemontrer la conformiteacute de siegraveges de veacutehicules aux normes de seacutecuriteacute des veacutehicules
automobiles du Canada NSVACCMVSS no 207 (ancrage des siegraveges) et 210 (ancrage de
ceinture de seacutecuriteacute) Vous retrouvez ci-dessous la description des trois tests normatifs qui
doivent ecirctre effectueacutes sur les siegraveges que lrsquoon deacutesire tester
Test No 1ndash Application de la force produisant un couple [NSVAC 207 1(b)ii(A)]
Figure 4 Point drsquoapplication de la force
Eacutetape 1
Appliquer une charge (en livres) eacutegale agrave 3300 diviseacutee par la distance laquo D raquo La distance laquo D raquo
eacutetant la distance en pouces entre le point de reacutefeacuterence assise2 et la piegravece transversale la plus
eacuteleveacutee du dossier ou de la partie supeacuterieure du dossier La charge doit ecirctre appliqueacutee sur la
partie transversale la plus eacuteleveacutee du dossier et vers lrsquoarriegravere agrave un angle de 0 degreacute
Eacutetape 2
Relacirccher la charge
2 La meacutethode pour deacuteterminer le point de reacutefeacuterence assise est expliqueacutee en annexe
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Test No 2ndash Application de la charge vers lrsquoarriegravere [NSVAC 207 1(a)i(B)]
Figure 5 Point dapplication de la force
Eacutetape 1
Appliquer une charge (en livres) eacutegale agrave 20 fois le poids du siegravege sur un intervalle de temps de
29 secondes La charge doit ecirctre appliqueacutee au centre de graviteacute du siegravege et vers lrsquoarriegravere agrave un
angle de 0 degreacute
Eacutetape 2
Maintenir la charge pendant au moins 10 secondes
Eacutetape 3
Relacirccher la charge
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Test No 3ndash Application simultaneacutee des forces [NSVAC 207 1(a)ii]
Figure 6 Points drsquoapplication des charges
Eacutetape 1
Appliquer 2 charges simultaneacutement sur un intervalle de temps de 29 secondes
- La premiegravere charge (en livres) est eacutegale agrave 20 fois le poids du siegravege et est appliqueacutee au
centre de graviteacute du siegravege vers lrsquoavant agrave un angle de 0 degreacute
- La valeur de la seconde charge deacutepend du type de ceinture installeacutee sur le siegravege Srsquoil
srsquoagit drsquoune ceinture de type I3 la charge agrave appliquer est de 5000 livres Si la ceinture
est de type II4 la charge agrave appliquer est de 3000 livres Cette charge doit ecirctre appliqueacutee
par le biais drsquoune forme de corps retenue par la ceinture de seacutecuriteacute du veacutehicule agrave un
angle compris entre 5 et 10 degreacutes de lrsquohorizontale
Eacutetape 2
Maintenir les charges pendant au moins 10 secondes
Eacutetape 3
Relacirccher les charges
3 Ceinture de seacutecuriteacute agrave 2 points drsquoancrage ougrave une seule sangle est raccordeacutee de chaque cocircteacute du bassin 4 Ceinture de seacutecuriteacute agrave 3 points drsquoancrage ougrave la sangle agrave deux points remonte en travers la poitrine du passager
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2 CADRE THEacuteORIQUE ET EacuteLABORATION DES HYPOTHEgraveSES
21 Cadre theacuteorique
Tout systegraveme agrave fluide sous pression comme celui du banc drsquoessai est toujours composeacute de trois
types de composantes soit
‐ Les composantes actives qui convertissent et modulent lrsquoeacutenergie
‐ Les composantes de liaison qui acheminent lrsquoeacutenergie drsquoune composante active agrave une
autre du moteur agrave la charge
‐ Les composantes passives qui exercent des fonctions secondaires mais qui sont
essentielles pour assurer le bon fonctionnement du systegraveme
Figure 7 Diagramme des principales composantes dun systegraveme hydraulique
211 Composantes actives
2111 Geacuteneacuterateurs
Sur le banc drsquoessai crsquoest la pompe (geacuteneacuterateur pour les liquides) qui produit lrsquoeacutenergie fluide
(volume de fluide sous pression) La puissance fluide est le taux de variation de cette eacutenergie
fluide et est obtenue en multipliant le deacutebit Q et la pression p du fluide
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La pompe se caracteacuterise par sa cylindreacutee D qui deacutepend du volume de fluide refouleacute par uniteacute
de deacuteplacement angulaire de lrsquoarbre (tour ou radian) Les variables de sortie Q et P peuvent ecirctre
exprimeacutees en fonction des variables drsquoentreacutee ωi et Ti selon les eacutequations suivantes
Q ω D
ougrave Q = deacutebit (m3s)
ωi = vitesse angulaire (rads)
D = cylindreacutee (m3rad)
p = pression (Pa)
Ti = couple (Nm)
En consideacuterant la pompe comme un geacuteneacuterateur ideacuteal permettant de transformer lrsquoeacutenergie fluide
sans aucune perte on peut affirmer que la puissance fluide P au refoulement est eacutegale agrave la
puissance meacutecanique drsquoentreacutee Pi soit
ougrave
ougrave Pi est exprimeacute en watts
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2112 Modulateurs
Les modulateurs dans le systegraveme hydraulique sont les valves de direction (distributeurs) les
valves de pression et les valves de deacutebit Sur le banc drsquoessai les valves de direction
(distributeurs) permettent de diriger le fluide drsquoun cocircteacute ou de lrsquoautre dans les veacuterins
(reacutecepteurs) pour qursquoils puissent travailler dans la direction voulue
Les valves de pression et les valves de deacutebit servent respectivement agrave controcircler la pression et le
deacutebit du fluide qui est livreacute aux reacutecepteurs (veacuterins) Lorsque lrsquohuile hydraulique traverse une
valve de pression le fluide est soumis agrave une reacuteduction de pression (de p agrave prsquo) et lorsque cette
huile traverse une valve de deacutebit elle subit une limitation de deacutebit (de Q agrave Qrsquo)
2113 Reacutecepteurs
Les reacutecepteurs dans le systegraveme hydraulique sont agrave mouvement lineacuteaire Les veacuterins sont des
reacutecepteurs qui absorbent lrsquoeacutenergie fluide et la transforment pour produire un travail meacutecanique
en translation Le veacuterin reccediloit le fluide sous pression et en extrait lrsquoeacutenergie avant de le renvoyer
vers le reacuteservoir Le veacuterin est caracteacuteriseacute par une aire A Ainsi on peut exprimer les deux
variables de sortie vo et Fo en fonction des deux variables drsquoentreacutee prsquo et Qrsquo selon les eacutequations
suivantes
prime
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Dans le cas drsquoun veacuterin ideacuteal on peut eacutecrire
Soit
Ougrave vo = vitesse (ms)
A = aire effective (m2)
Fo = force (N)
212 Composantes de liaison
Dans le systegraveme hydraulique les composantes de liaison sont le fluide lui-mecircme et les diverses
canalisations Lrsquohuile hydraulique (fluide) sert agrave transporter lrsquoeacutenergie fluide mais aussi agrave
lubrifier les piegraveces mobiles des veacuterins Cette huile circule dans les canalisations drsquoune
composante agrave une autre Pour eacuteviter drsquoinfluencer lrsquoefficaciteacute et la fiabiliteacute du systegraveme
hydraulique on doit bien choisir dimensionner et installer les canalisations
213 Composantes passives
Les composantes passives du systegraveme hydraulique sont respectivement le reacuteservoir de la pompe
qui permet le stockage de lrsquohuile et la creacutepine qui est un filtre grossier qui protegravege le fluide
contre les polluants externes
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22 Eacutelaboration des hypothegraveses
Voici toutes les hypothegraveses qui ont eacuteteacute poseacutees dans le cadre de ce projet
- La pompe fournie suffisamment de puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins
simultaneacutement
- Les pertes volumeacutetriques dans le circuit sont consideacutereacutees comme eacutetant neacutegligeables
- La pompe se deacutecharge par une valve de mise agrave vide lorsque les veacuterins sont au repos
- Le troisiegraveme distributeur installeacute par Geacuteliko Inc est inutile actuellement
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3 MISE EN ŒUVRE DU MANDAT
31 La recherche de solutions
311 Solution No 1 - Automate programmable
Un automate programmable industriel (API) est un dispositif eacutelectronique qui exerce des
fonctions de controcircle de processus industriels Sa fonction est drsquoenvoyer des commandes aux
preacuteactionneurs (ex les valves) agrave partir des donneacutees drsquoentreacutees qui proviennent des diffeacuterents
capteurs LrsquoAPI est composeacutee drsquoune uniteacute de calculs (processeur) drsquoune alimentation ACDC
et de modules qui sont choisis selon les besoins de lrsquoapplication tel que les cartes drsquoentreacutees-
sorties les modules de communication les modules de commande etc LrsquoAPI peut ecirctre relieacutee agrave
une interface homme-machine agrave un pupitre opeacuterateur agrave une interface graphique ou agrave un
ordinateur Les langages de programmation standards de lrsquoAPI sont le Grafcet et le Ladder
Figure 8 API de marque Allen-Bradley
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Tableau 1 Avantages et inconveacutenients drsquoun automate programmable
Avantages Inconveacutenients
Peu encombrant
Temps de reacuteponse rapide
Facile agrave programmer
Consommation eacutelectrique
acceptable
Configurables et extensibles par
modules
Robuste
Dispendieux pour les petites ou
simples applications
Logiciel de programmation non
gratuit
312 Solution No 2 - Microcontrocircleur
Un microcontrocircleur est comme lrsquoAPI un dispositif eacutelectronique programmable qui peut lire des
signaux drsquoentreacutees et envoyer des signaux de commande agrave des peacuteripheacuteriques externes De plus
le microcontrocircleur rassemble dans un circuit inteacutegreacute tous les eacuteleacutements essentiels agrave son bon
fonctionnement soit le processeur la meacutemoire les uniteacutes peacuteripheacuteriques et les interfaces
drsquoentreacutees-sorties Les langages de programmation des microcontrocircleurs sont varieacutes Basic C
C++ Java etc
Figure 9 Microcontrocircleur de marque Arduino
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Tableau 2 Avantages et inconveacutenients drsquoun microcontrocircleur
Avantages Inconveacutenients
Tregraves peu encombrant
Tregraves faible consommation
eacutelectrique
Logiciel de programmation
geacuteneacuteralement gratuit
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Peu drsquoentreacuteessorties
Langages de programmation plus
contraignants que le Ladder et le
Grafcet
Non extensible
Tregraves fragile
Vitesse de fonctionnement plus
faible
313 Solution No 3 - Relais
Avant lrsquoavegravenement de lrsquoautomate programmable dans le deacutebut des anneacutees 1970 les systegravemes
eacutetaient automatiseacutes agrave lrsquoaide de relais Les relais peuvent ecirctre activeacutes et deacutesactiveacutes sans
interrupteur manuel Aujourdrsquohui les relais servent agrave reacuteduire la taille des panneaux de controcircle
des machines ou agrave creacuteer des cycles drsquoautomatismes simples Mais pour les automatismes qui
requiegraverent un grand nombre drsquoentreacutees sorties on doit remplacer le systegraveme de relayage
devenant trop complexe par un automate programmable
Figure 10 Relais meacutecanique
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 28
Tableau 3 Avantages et inconveacutenients drsquoun relais
Avantages Inconveacutenients
Pas de programmation requise
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Tregraves encombrant
Solution non ideacuteale pour creacuteer des
cycles drsquoautomatismes complexes
Technologie vieillissante
32 Eacutelaboration du baregraveme
Le baregraveme est essentiel lors de lrsquoeacutetape de la prise de deacutecision pour accorder le pointage agrave
chaque solution et pour permettre au concepteur de se fixer des prioriteacutes de conception Le
baregraveme est conccedilu en fonction des critegraveres de qualiteacutes rechercheacutees que lrsquoon associe agrave une eacutechelle
de satisfaction avec une pondeacuteration de 1 agrave 4
Tableau 4 Baregraveme
Critegraveres Objectif 1 2 3 4 Simpliciteacute La programmation
etou lrsquoinstallation de la solution doivent ecirctre faciles
Tregraves difficile Difficile Facile Tregraves facile
Compatibiliteacute Lrsquouniteacute doit ecirctre compatible avec les eacutequipements du banc drsquoessai
Pas compatible Peu compatible Compatible Tregraves compatible
Espace Lrsquoespace requis pour installer lrsquouniteacute est limiteacute
Volume imposant Volume eacuteleveacute Volume moyen Volume neacutegligeable
Fiabiliteacute Durabiliteacute
Lrsquouniteacute doit ecirctre fiable et durable
Tregraves faible Moyennement faible
Moyennement eacuteleveacute
Eacuteleveacute
Coucirct Les contraintes budgeacutetaires doivent ecirctre respecteacutees
Tregraves dispendieux Dispendieux Abordable Tregraves abordable
Efficaciteacute eacutenergeacutetique
La consommation eacutelectrique doit diminuer
Consommation eacuteleveacutee
Consommation normale
Consommation faible
Consommation tregraves faible
Seacutecuriteacute Les risques drsquoaccident de travail doivent diminuer
Tregraves risqueacute Risqueacute Peu risqueacute Aucun risque
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33 Matrice de deacutecision Le tableau suivant preacutesente la matrice de deacutecision Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation de chacune des
solutions on a attribueacute agrave chaque critegravere une note situeacutee en 1 et 4 Les notes des critegraveres sont
multiplieacutees par leurs pondeacuterations respectives ils sont ensuite additionneacutes puis enfin diviser par
4 pour obtenir la note en pourcentage de chaque solution Selon les scores obtenus crsquoest
lrsquoautomate programmable qui est consideacutereacute comme eacutetant la meilleure uniteacute de controcircle
Tableau 5 Matrice de deacutecision
Critegraveres Pondeacuteration Solution 1 2 3
Automate programmable
Microcontrocircleur Relais
Simpliciteacute 30 4 3 1 Compatibiliteacute 20 4 2 1
Espace 5 3 4 1 FiabiliteacuteDurabiliteacute 10 4 2 1
Coucirct 15 2 4 3 Efficaciteacute
eacutenergeacutetique 5 3 4 2
Seacutecuriteacute 15 4 1 1 Reacutesultat 100 90 662 338
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34 La conception de la solution recommandeacutee
341 Eacutetude du systegraveme hydraulique existant
La preacutesente section est une eacutetude plus deacutetailleacutee portant sur les principales composantes dont est
constitueacute le banc drsquoessai actuel Lrsquoeacutetude comporte une analyse de leurs caracteacuteristiques
principales et de leurs modes de fonctionnements On y preacutesente eacutegalement les symboles
graphiques de ces composantes Cette eacutetude est une eacutetape primordiale pour pouvoir bien choisir
les nouveaux eacutequipements et concevoir le circuit hydraulique de la solution finale
3411 Ensemble pompe-moteur-reacuteservoir
Comme dans les tous systegravemes hydrauliques le banc drsquoessai dispose drsquoun ensemble pompe-
moteur-reacuteservoir La pompe transforme lrsquoeacutenergie meacutecanique fournie par le moteur eacutelectrique
rotatif en eacutenergie fluide La pompe deacutemarre degraves qursquoon branche le moteur eacutelectrique agrave la prise de
courant Vous retrouverez ci-dessous les speacutecifications de ces composantes et une photo prise
sur place de lrsquoensemble
Moteur eacutelectrique AC
Figure 11 Repreacutesentation scheacutematique du moteur eacutelectrique AC
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Tableau 6 Speacutecifications du moteur eacutelectrique
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Puissance
(HP)
Voltage
(V)
Vitesse
(RPM)
HY-SPEC MFG03 HYSW850203-1G 1 110220 1800
Pompe
Tableau 7 Speacutecifications de la pompe (supposition5)
Marque Deacutebit max
(GPM)
Pression max
(PSI)
Cylindreacutee
(cm3tr)
Inconnu 18 3200 PSI 4
Reacuteservoir
Figure 12 Repreacutesentation scheacutematique du reacuteservoir
5 Le deacutebit et la pression pouvant ecirctre fournie par la pompe sont des informations qui ont eacuteteacute fournies par
lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai mais qui ne sont pas veacuterifiables
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Tableau 8 Speacutecifications du reacuteservoir
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Volume
(L)
HY-SPEC V120 HYSW880117 12
Figure 13 Photo de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir
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3412 Bloc Manifold (bloc foreacute)
Un bloc manifold est un bloc de meacutetal avec plusieurs canaux inteacutegreacute conccedilu pour la conduite de
fluide dans des espaces confineacutes On retrouve sur le bloc des caviteacutes dans lesquelles on peut
installer diffeacuterentes composantes hydrauliques (valves manomegravetres tuyau etc)
Tableau 9 Speacutecifications du bloc manifold
Marque Numeacutero de
seacuterie
Description Nombre
de
sections
Ports Orifice
de
seacutecuriteacute
Pression
drsquoopeacuteration
maximale
(PSI)
HY-
SPEC
HYSDD03-
P-03-2SS
Type D03
Circuit
parallegravele
3 P amp T = SAE 10
A amp B = SAE 8
GA = SAE 6
T-10A 5000
Figure 14 Photo du bloc manifold
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3413 Veacuterins
Les 2 veacuterins hydrauliques utiliseacutes dans le banc drsquoessai sont des veacuterins agrave mouvement lineacuteaire et agrave
double effet (deux directions de travail) qui convertissent lrsquoeacutenergie fluide en eacutenergie
meacutecanique Chaque veacuterin est composeacute drsquoun tube cylindrique (le cylindre) dans lequel est
inseacutereacutee une piegravece mobile (le corps du piston) qui assure lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre deux chambres La
tige rigide qui est relieacutee au corps du piston sert agrave transmettre lrsquoeffort et le deacuteplacement Les
veacuterins comportent deux orifices (alimentation et refoulement) et la pression peut ecirctre appliqueacutee
de chaque cocircteacute du piston pour entraicircner son deacuteplacement dans un sens ou dans lautre Ce sont
les distributeurs qui permettent drsquointervertir les rocircles des deux orifices pour controcircler la
direction de la tige
Par ailleurs il peut y avoir des fuites volumeacutetriques internes et externes dans les veacuterins et qui
sont indeacutesirables car elles reacuteduisent la dureacutee de vie et le rendement des veacuterins La fuite interne
est en fait un eacutecoulement de lrsquohuile de la chambre agrave haute pression vers la chambre agrave basse
pression qui est due au jeu entre le corps du piston et la paroi interne du cylindre Il peut
eacutegalement y avoir une fuite externe due au jeu entre la tige du piston et la tecircte du cylindre Pour
reacuteduire ces fuites on installe des joints drsquoeacutetancheacuteiteacutes sur le corps du piston et sur la tecircte du
cylindre
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees)
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Leacutegende
1 Cylindre 5 Chambre de refoulement
2 Piston A Orifice drsquoadmission
3 Tige R Orifice de refoulement
4 Chambre drsquoadmission
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin
La principale caracteacuteristique des veacuterins est lrsquoaire effective sur laquelle le fluide exerce une
pression Les aires effectives du corps du piston (cocircteacute fond du veacuterin et cocircteacute tecircte du veacuterin) sont
diffeacuterentes agrave cause de la preacutesence de la tige sur une seule face du corps du piston Par
conseacutequent pour des mecircmes pressions drsquoadmission la force de contraction est plus faible que
la force drsquoextension Les eacutequations ci-dessous servent agrave convertir les forces (lb) en pression
(psi) selon le sens drsquoapplication du veacuterin
Calcul pour la conversion force-pression
Diamegravetre du piston6 25 po
Diamegravetre de la tige 15 po
lowast egrave
4lowast 25po
449087
lowast egrave
4lowast 15po
417671
ocirc eacute ecirc eacute
ocirc eacute eacute
6 Bore est le terme eacutequivalent du corps du piston
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Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins
Marque Numeacutero de seacuterie Type drsquoorifices Poids
(livres)
Pression
maximale
(pouce)
HY-SPEC HYS 25FEM24-NW SAE-8 40 3000 PSI
3414 Manomegravetre
Actuellement les pressions exerceacutees dans le bloc manifold et dans chaque chambre des veacuterins
sont mesureacutees agrave lrsquoaide de manomegravetre agrave glyceacuterine
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine
Marque Numeacutero de seacuterie Localisation Diamegravetre
(pouce)
Connexion Eacutechelle du
cadran
(PSI)
HY-
SPEC
HYSG22LXB3000PSI-
14NPT
Bloc
manifold
25
frac14 NPT
0 agrave 3000
HY-
SPEC
HYSG22LXB5000PSI-
14NPT
2 par veacuterin 0 agrave 5000
G
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold
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3415 Les distributeurs
Dans le systegraveme hydraulique les distributeurs (valves de distribution) sont les composantes
actives (modulateurs) qui permettent la distribution du flux drsquoeacutenergie vers les 2 veacuterins
(reacutecepteurs) pour les libeacuterer les arrecircter ou les reacutetracter Sur les trois distributeurs installeacutes sur le
banc drsquoessai seuls 2 drsquoentre eux sont utiliseacutes Le troisiegraveme distributeur a eacuteteacute installeacute au cas ougrave
un troisiegraveme veacuterin serait neacutecessaire pour reacutealiser des tests futurs drsquoapregraves lrsquoopeacuterateur du banc
drsquoessai Il srsquoagit de distributeurs agrave tiroir (de type coulissant) agrave quatre orifices et agrave trois positions
agrave action piloteacutee agrave commande eacutelectrique par soleacutenoiumldes et agrave centrage par ressort de rappel
En alimentant lrsquoun des deux soleacutenoiumldes avec un courant eacutelectrique le tiroir du distributeur se
deacuteplace et lrsquohuile circule par des canaux internes de la valve vers lrsquoune des extreacutemiteacutes du tiroir
principal pendant que lrsquoautre extreacutemiteacute de ce tiroir est raccordeacutee au reacuteservoir du systegraveme par
lrsquoaction du distributeur pilote La pression qui srsquoexerce sur la face du tiroir principal engendre
une force qui pousse ce dernier et le maintien en position agrave voies parallegraveles ou en position agrave
voies croiseacutees En alternant entre la position agrave voies parallegraveles et la position agrave voies croiseacutees le
sens de lrsquoeacutecoulement du fluide dans le veacuterin change et donc le sens de lrsquoapplication de la force
Par ailleurs lorsque les deux soleacutenoiumldes du distributeur ne sont plus alimenteacutes par un courant
eacutelectrique le tiroir principal revient agrave sa position de repos gracircce agrave la pousseacutee du ressort de
rappel Puisqursquoil srsquoagit de distributeurs agrave centre fermeacute lrsquohuile ne peut alors plus circuler dans
les distributeurs et ecirctre achemineacutee dans les veacuterins
Figure 18 Les trois positions des distributeurs
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Leacutegende
T Orifice du reacuteservoir
P Orifice de la pompe
A amp B Admission et refoulement
1 Tiroir
2 Corps de valve
3 Ressort de rappel
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute
Figure 20 Photos des 3 distributeurs
Marque Numeacutero de seacuterie Tension
(V)
Deacutebit
max
(GPM)
Pression admissible
(PSI)
HY-
SPEC
HYSFW-02-3C2-
B110-Z5L-50
24 DC 9 4750
(Orifice A B P)
2320
(Orifice T)
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La commande des distributeurs
Actuellement lrsquoalimentation des soleacutenoiumldes en courant se fait via deux manettes de controcircle
On retrouve sur ces manettes au total 6 boutons qui permettent lrsquoactivation de chacun des
soleacutenoiumldes Le soleacutenoiumlde demeure alimenteacute tant que lrsquoopeacuterateur exerce une pression sur le
bouton Eacutevidemment ces manettes deviendront inutiles lorsque les soleacutenoiumldes seront alimenteacutes
par lrsquoautomate programmable dans la solution finale
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle
Marque Numeacutero de seacuterie Nombre de boutons
HY-SPEC
HYST90009-3P 2
HYST90012-3P 4
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle
Figure 22 Boicircte de conversion7 entre la manette et le distributeur
7 Aucune speacutecification nrsquoest disponible pour la boicircte de conversion des manettes de controcircle
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3416 Limiteurs de deacutebit
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit
Les limiteurs de deacutebit permettent de controcircler les deacutebits drsquoalimentation des veacuterins et par ce fait
les vitesses de sortie et de rentreacutee des tiges des deux veacuterins Pour y arriver ces valves reacutegulent
le deacutebit du fluide en diminuant la section de lrsquoouverture emprunteacutee par celui-ci Le deacutebit est
proportionnel agrave cette ouverture et agrave la racine carreacutee de la perte de charge Sur le banc drsquoessai on
retrouve 2 eacutetrangleurs reacuteglables agrave pointeau par veacuterin Lrsquoeacutetrangleur agrave pointeau est coupleacute dans le
mecircme corps de la valve avec un clapet de retenue avec ressort8 pour que le deacutebit ne soit limiteacute
que dans un seul sens de lrsquoeacutecoulement
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort
Marque Numeacutero de seacuterie Type
Vickers DGMFN-3-Y-A2W-B2W-41 Port double
8 Il y a ouverture du clapet si la pression drsquoentreacutee est supeacuterieure agrave la somme de la pression de sortie et de la pression du ressort
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 57
CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
v
TABLE DES MATIEgraveRES
REMERCIEMENTS ii
REacuteSUMEacute iii
ABSTRACT iv
LISTE DES TABLEAUX vii
LISTE DES FIGURES viii
LISTE DES ABREacuteVIATIONS x
INTRODUCTION 11
1 EacuteTUDE DES BESOINS ET MANDAT 12
11 Preacutesentation de lrsquoentreprise 12
12 Description du produit 13
13 Description du proceacutedeacute 14
14 Mise en contexte de la probleacutematique 15
15 Objectifs contraintes et restrictions 16
16 Formulation du mandat 16
17 Normes applicables 17
Test No 1ndash Application de la force produisant un couple [NSVAC 207 1(b)ii(A)] 17
Test No 2ndash Application de la charge vers lrsquoarriegravere [NSVAC 207 1(a)i(B)] 18
Test No 3ndash Application simultaneacutee des forces [NSVAC 207 1(a)ii] 19
2 CADRE THEacuteORIQUE ET EacuteLABORATION DES HYPOTHEgraveSES 20
211 Composantes actives 20
2111 Geacuteneacuterateurs 20
2112 Modulateurs 22
2113 Reacutecepteurs 22
212 Composantes de liaison 23
213 Composantes passives 23
22 Eacutelaboration des hypothegraveses 24
vi
3 MISE EN ŒUVRE DU MANDAT 25
31 La recherche de solutions 25
311 Solution No 1 - Automate programmable 25
312 Solution No 2 - Microcontrocircleur 26
313 Solution No 3 - Relais 27
32 Eacutelaboration du baregraveme 28
33 Matrice de deacutecision 29
34 La conception de la solution recommandeacutee 30
341 Eacutetude du systegraveme hydraulique existant 30
342 Choix des composantes 47
343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale 50
344 Asservissement du systegraveme hydraulique 52
4 ESTIMATION DES COUcircTS 54
5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute 55
6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE 56
CONCLUSION 57
RECOMMANDATIONS 58
BIBLIOGRAPHIE 59
ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique 60
ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc 66
ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle 67
ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles 71
ANNEXE-E Manomegravetre digital 79
ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute 81
vii
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1 Avantages et inconveacutenients drsquoun automate programmable 26
Tableau 2 Avantages et inconveacutenients drsquoun microcontrocircleur 27
Tableau 3 Avantages et inconveacutenients drsquoun relais 28
Tableau 4 Baregraveme 28
Tableau 5 Matrice de deacutecision 29
Tableau 6 Speacutecifications du moteur eacutelectrique 31
Tableau 7 Speacutecifications de la pompe (supposition) 31
Tableau 8 Speacutecifications du reacuteservoir 32
Tableau 9 Speacutecifications du bloc manifold 33
Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins 36
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine 36
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute 38
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle 39
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort 40
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire 42
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
43
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec
soleacutenoiumlde 46
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie 48
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112 48
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital 49
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique 50
viii
LISTE DES FIGURES
Figure 1 Modegraveles de siegraveges fabriqueacutes par Amobi 12
Figure 2 Cellules pneumatiques gonflables dans le siegravege Tech 3001 13
Figure 3 Banc drsquoessai agrave lrsquoœuvre sur un siegravege de la compagnie Amobi chez PMG Technologies agrave
Blainville 14
Figure 4 Point drsquoapplication de la force 17
Figure 5 Point dapplication de la force 18
Figure 6 Points drsquoapplication des charges 19
Figure 7 Diagramme des principales composantes dun systegraveme hydraulique 20
Figure 8 API de marque Allen-Bradley 25
Figure 9 Microcontrocircleur de marque Arduino 26
Figure 10 Relais meacutecanique 27
Figure 11 Repreacutesentation scheacutematique du moteur eacutelectrique AC 30
Figure 12 Repreacutesentation scheacutematique du reacuteservoir 31
Figure 13 Photo de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir 32
Figure 14 Photo du bloc manifold 33
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees) 34
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin 35
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold 36
Figure 18 Les trois positions des distributeurs 37
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur 38
Figure 20 Photos des 3 distributeurs 38
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle 39
Figure 22 Boicircte de conversion entre la manette et le distributeur 39
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit 40
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit 40
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique 41
Figure 26 Photo des limiteurs de pression 42
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P 42
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold 43
ix
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute 45
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee 45
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide 46
Figure 32 Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle de type cartouche 47
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05
lmn) 48
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie 49
Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale 51
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence 55
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
56
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en
fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68) 62
x
LISTE DES ABREacuteVIATIONS
API Automate programmable industriel
PLC Programmable Logic Controller (eacutequivalent anglais de API)
CPU Central Processing Unit (eacutequivalent anglais de processeur)
ES EntreacuteeSortie
GRAFCET Graphe fonctionnel de commande drsquoeacutetape-transition
PID Proportionnel inteacutegral deacuteriveacute
GEMMA Guide drsquoeacutetude des modes de marches et arrecircts
CA Courant alternatif
CC Courant continu
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INTRODUCTION
Le preacutesent document est le fruit du travail effectueacute dans le cadre du projet drsquoeacutetude en
ingeacutenierie Le projet en question est reacutealiseacute pour Amobi un manufacturier de siegraveges
pneumatiques ergonomiques haut de gamme pour camions autobus et eacutequipements industriels
Les clients drsquoAmobi deacutesirent que les siegraveges installeacutes dans leurs veacutehicules soient conformes aux
normes de seacutecuriteacute volontaire1 des CMVSS no 207 et 210 de Transport Canada Lrsquoobjectif
principal de ce projet est de concevoir une uniteacute de controcircle pour reacutesoudre les restrictions
majeures que rencontre le banc drsquoessai preacutesentement Le banc drsquoessai actuel ne permet pas de
respecter la proceacutedure des tests et il est difficile agrave opeacuterer Pour atteindre cet objectif la seacutelection
des composantes hydrauliques et eacutelectroniques la conception du circuit hydraulique de la
solution finale lrsquoeacutecriture du programme de lrsquouniteacute de controcircle et la conception drsquoune interface
homme-machine doivent ecirctre effectueacutees
1 Une norme volontaire nrsquoa pas agrave ecirctre obligatoirement respecteacutee comparativement aux lois et regraveglements dicteacutes par les gouvernements provinciaux et feacutedeacuteraux La plupart du temps lrsquoentreprise consent agrave adheacuterer agrave ces normes autoreacuteglementaires puisque cela preacutesente plus davantages que dinconveacutenients
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1 EacuteTUDE DES BESOINS ET MANDAT
Cette section documente tous les renseignements obtenus lors de la collecte de donneacutees
11 Preacutesentation de lrsquoentreprise
Lrsquoentreprise pour laquelle le projet est reacutealiseacute est Amobi Cette compagnie fait partie du
Groupe Dion qui possegravede plusieurs divisions soit industrielles (Pro-AB Eacutequipement TNO
Dion Peinture Industrielle Amobi Acces Industriel Access Mining Services) automobiles
(Action Kia Acces Toyota Hino Nord-Ouest Location Dion Au Carrossier) et de produits
reacutecreacuteatifs (Eacutequipement TNO Marine Lamy et Amobi) Amobi est un manufacturier de siegraveges
pneumatiques ergonomiques haut de gamme pour camions autobus et eacutequipements industriels
Amobi fabrique eacutegalement des toiles protectrices multiusages pour bateaux pontons motos
tracteurs et motoneiges Dans ce travail et dans ceux qui suivront nous ne traiterons toutefois
pas davantage de ces derniers puisque notre projet relegraveve plutocirct du deacutepartement qui srsquooccupe de
la fabrication des siegraveges Amobi dessert le marcheacute canadien mais exporte aussi ces siegraveges agrave des
agents manufacturiers et des distributeurs disperseacutes dans diffeacuterentes reacutegions des Eacutetats-Unis La
figure 2 preacutesente la gamme de siegraveges fabriqueacutee par Amobi
Figure 1 Modegraveles de siegraveges fabriqueacutes par Amobi
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12 Description du produit
Les siegraveges fabriqueacutes par Amobi sont constitueacutes de plusieurs ballons indeacutependants qui se
gonflent pour srsquoadapter agrave la masse et agrave la taille du conducteur Ces ballons apportent un support
dorsal et lateacuteral qui combineacute agrave la base pneumatique agrave amortisseurs permet de diminuer
lrsquoimpact des chocs et des vibrations creacuteeacutes par la route sur le corps du conducteur
Ces siegraveges sont entiegraverement reacuteglables crsquoest-agrave-dire que des manettes de controcircle permettent
lrsquoajustement de nombreux points selon les preacutefeacuterences du conducteur la position avant-arriegravere
du siegravege la profondeur et lrsquoinclinaison de lrsquoassise lrsquoinclinaison du dossier la forme de lrsquoassise
et du dossier la hauteur du siegravege et la suspension de la base du siegravege Les produits fabriqueacutes par
Amobi sont tregraves durables car ils doivent tenir aussi longtemps que le veacutehicule dans lequel ils
seront installeacutes De plus ils doivent aussi reacutesister agrave des ajustements tregraves freacutequents puisque ces
veacutehicules sont souvent conduits par un grand nombre de personnes diffeacuterentes
La majoriteacute des piegraveces composant les siegraveges sont fabriqueacutees par des sous-traitants
Lrsquoassemblage du produit final est cependant entiegraverement fait chez Amobi Crsquoest aussi lagrave que se
fait la conception lrsquoameacutelioration et le test des produits fabriqueacutes
Figure 2 Cellules pneumatiques gonflables dans le siegravege Tech 3001
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13 Description du proceacutedeacute
Les produits drsquoAmobi sont faits selon les besoins des clients et la majoriteacute de ceux-ci deacutesirent
que les siegraveges installeacutes dans leurs veacutehicules soient conformes aux normes volontaires de
Transport Canada Pour srsquoassurer de cette conformiteacute la compagnie doit tester elle-mecircme ses
siegraveges avant drsquoen produire un grand nombre lorsqursquoil srsquoagit drsquoun nouveau concept ou drsquoun
concept existant dont on a modifieacute des composantes structurales Crsquoest pourquoi Amobi srsquoest
doteacute drsquoun banc drsquoessai pour siegravege visant agrave tester la conformiteacute aux Normes de seacutecuriteacute des
veacutehicules automobiles du Canada (NSVAC ou CMVSS - Canada Motor Vehicle Safety
Standards) no 207 et 210
Les essais effectueacutes visent agrave tester la reacuteaction du siegravege et de son ancrage agrave diffeacuterentes forces
appliqueacutees sur celui-ci Le banc est donc constitueacute drsquoun cadre de meacutetal sur lequel est installeacute un
exemple drsquoancrage de siegravege fourni par la compagnie Novabus client drsquoAmobi ainsi que drsquoune
uniteacute composeacutee de deux cylindres hydrauliques pour appliquer les forces en question
Figure 3 Banc drsquoessai agrave lrsquoœuvre sur un siegravege de la compagnie Amobi chez PMG Technologies agrave Blainville
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14 Mise en contexte de la probleacutematique
Preacutesentement lrsquoentreprise a un banc drsquoessai qui est utiliseacute pour effectuer les tests normatifs
exigeacutes par les normes CMVSS 207 et 210 Lrsquouniteacute de controcircle utiliseacute jusqursquoagrave ce jour preacutesente
des restrictions majeures tel que
1 Seule une personne expeacuterimenteacutee dans le controcircle des valves soleacutenoiumldes est apte agrave
opeacuterer le banc de faccedilon acceptable Le banc drsquoessai ne dispose pas drsquoune interface
homme-machine conviviale
2 Le controcircle des forces appliqueacutees par les veacuterins hydrauliques se fait par le reacuteglage des
valves Les forces ne sont pas appliqueacutees instantaneacutement
3 Le banc drsquoessai actuel ne permet pas drsquoappliquer deux forces simultaneacutement sur le
siegravege
4 Il y a un leacuteger deacuteplacement du siegravege pendant lrsquoopeacuteration du banc drsquoessai ce qui fait en
sorte que les forces reacuteelles appliqueacutees par les cylindres ne demeurent pas constantes
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai doit continuellement surveiller plusieurs manomegravetres et
ajuster la pression dans les cylindres pour corriger les effets de cette perturbation
5 La mesure des pressions deacuteployeacutees est peacutenible agrave cause de lrsquoimpreacutecision de lrsquoeacutechelle des
cadrans des manomegravetres Il est ainsi impossible drsquoopeacuterer le banc drsquoessai agrave basse
pression
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15 Objectifs contraintes et restrictions
Lrsquoobjectif principal de ce projet est de concevoir une uniteacute de controcircle reacutesolvant les restrictions
majeures que rencontre le banc drsquoessai preacutesentement En drsquoautres mots Amobi veut disposer
drsquoun banc drsquoessai permettant drsquoeffectuer tous les tests relieacutes aux normes CMVSS 207-210 en
gagnant en flexibiliteacute et faciliteacute drsquoutilisation Drsquoautre part lrsquoune des contraintes de ce projet est
lrsquoadaptation de la solution recommandeacutee sur le banc drsquoessai existant Il y a eacutegalement une
contrainte moneacutetaire puisque lrsquoinvestissement total de lrsquoensemble de la solution ne doit pas
deacutepasser 8000 $ Le client est agrave la recherche drsquoune solution la plus abordable possible puisque
le banc drsquoessai nrsquoest utiliseacute que quelques fois par anneacutee
16 Formulation du mandat
Les tacircches du mandat de ce projet sont les suivantes
1 Analyser lrsquouniteacute actuelle
2 Concevoir une uniteacute de controcircle incluant
La seacutelection des composantes hydrauliques et eacutelectroniques
Le plan du circuit hydraulique de la solution finale
Le programme de lrsquouniteacute de controcircle
3 Concevoir une interface homme-machine conviviale
4 Reacutediger un mode drsquoemploi pour lrsquoutilisation du banc drsquoessai
5 Eacutevaluer le budget neacutecessaire pour fabriquer la nouvelle uniteacute
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17 Normes applicables
La compagnie SRD Bolduc Inc a preacutepareacute en 2005 pour Amobi un document deacutecrivant les
proceacutedures agrave suivre les informations agrave rapporter et le format des rapports drsquoessais requis pour
deacutemontrer la conformiteacute de siegraveges de veacutehicules aux normes de seacutecuriteacute des veacutehicules
automobiles du Canada NSVACCMVSS no 207 (ancrage des siegraveges) et 210 (ancrage de
ceinture de seacutecuriteacute) Vous retrouvez ci-dessous la description des trois tests normatifs qui
doivent ecirctre effectueacutes sur les siegraveges que lrsquoon deacutesire tester
Test No 1ndash Application de la force produisant un couple [NSVAC 207 1(b)ii(A)]
Figure 4 Point drsquoapplication de la force
Eacutetape 1
Appliquer une charge (en livres) eacutegale agrave 3300 diviseacutee par la distance laquo D raquo La distance laquo D raquo
eacutetant la distance en pouces entre le point de reacutefeacuterence assise2 et la piegravece transversale la plus
eacuteleveacutee du dossier ou de la partie supeacuterieure du dossier La charge doit ecirctre appliqueacutee sur la
partie transversale la plus eacuteleveacutee du dossier et vers lrsquoarriegravere agrave un angle de 0 degreacute
Eacutetape 2
Relacirccher la charge
2 La meacutethode pour deacuteterminer le point de reacutefeacuterence assise est expliqueacutee en annexe
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Test No 2ndash Application de la charge vers lrsquoarriegravere [NSVAC 207 1(a)i(B)]
Figure 5 Point dapplication de la force
Eacutetape 1
Appliquer une charge (en livres) eacutegale agrave 20 fois le poids du siegravege sur un intervalle de temps de
29 secondes La charge doit ecirctre appliqueacutee au centre de graviteacute du siegravege et vers lrsquoarriegravere agrave un
angle de 0 degreacute
Eacutetape 2
Maintenir la charge pendant au moins 10 secondes
Eacutetape 3
Relacirccher la charge
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Test No 3ndash Application simultaneacutee des forces [NSVAC 207 1(a)ii]
Figure 6 Points drsquoapplication des charges
Eacutetape 1
Appliquer 2 charges simultaneacutement sur un intervalle de temps de 29 secondes
- La premiegravere charge (en livres) est eacutegale agrave 20 fois le poids du siegravege et est appliqueacutee au
centre de graviteacute du siegravege vers lrsquoavant agrave un angle de 0 degreacute
- La valeur de la seconde charge deacutepend du type de ceinture installeacutee sur le siegravege Srsquoil
srsquoagit drsquoune ceinture de type I3 la charge agrave appliquer est de 5000 livres Si la ceinture
est de type II4 la charge agrave appliquer est de 3000 livres Cette charge doit ecirctre appliqueacutee
par le biais drsquoune forme de corps retenue par la ceinture de seacutecuriteacute du veacutehicule agrave un
angle compris entre 5 et 10 degreacutes de lrsquohorizontale
Eacutetape 2
Maintenir les charges pendant au moins 10 secondes
Eacutetape 3
Relacirccher les charges
3 Ceinture de seacutecuriteacute agrave 2 points drsquoancrage ougrave une seule sangle est raccordeacutee de chaque cocircteacute du bassin 4 Ceinture de seacutecuriteacute agrave 3 points drsquoancrage ougrave la sangle agrave deux points remonte en travers la poitrine du passager
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2 CADRE THEacuteORIQUE ET EacuteLABORATION DES HYPOTHEgraveSES
21 Cadre theacuteorique
Tout systegraveme agrave fluide sous pression comme celui du banc drsquoessai est toujours composeacute de trois
types de composantes soit
‐ Les composantes actives qui convertissent et modulent lrsquoeacutenergie
‐ Les composantes de liaison qui acheminent lrsquoeacutenergie drsquoune composante active agrave une
autre du moteur agrave la charge
‐ Les composantes passives qui exercent des fonctions secondaires mais qui sont
essentielles pour assurer le bon fonctionnement du systegraveme
Figure 7 Diagramme des principales composantes dun systegraveme hydraulique
211 Composantes actives
2111 Geacuteneacuterateurs
Sur le banc drsquoessai crsquoest la pompe (geacuteneacuterateur pour les liquides) qui produit lrsquoeacutenergie fluide
(volume de fluide sous pression) La puissance fluide est le taux de variation de cette eacutenergie
fluide et est obtenue en multipliant le deacutebit Q et la pression p du fluide
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La pompe se caracteacuterise par sa cylindreacutee D qui deacutepend du volume de fluide refouleacute par uniteacute
de deacuteplacement angulaire de lrsquoarbre (tour ou radian) Les variables de sortie Q et P peuvent ecirctre
exprimeacutees en fonction des variables drsquoentreacutee ωi et Ti selon les eacutequations suivantes
Q ω D
ougrave Q = deacutebit (m3s)
ωi = vitesse angulaire (rads)
D = cylindreacutee (m3rad)
p = pression (Pa)
Ti = couple (Nm)
En consideacuterant la pompe comme un geacuteneacuterateur ideacuteal permettant de transformer lrsquoeacutenergie fluide
sans aucune perte on peut affirmer que la puissance fluide P au refoulement est eacutegale agrave la
puissance meacutecanique drsquoentreacutee Pi soit
ougrave
ougrave Pi est exprimeacute en watts
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2112 Modulateurs
Les modulateurs dans le systegraveme hydraulique sont les valves de direction (distributeurs) les
valves de pression et les valves de deacutebit Sur le banc drsquoessai les valves de direction
(distributeurs) permettent de diriger le fluide drsquoun cocircteacute ou de lrsquoautre dans les veacuterins
(reacutecepteurs) pour qursquoils puissent travailler dans la direction voulue
Les valves de pression et les valves de deacutebit servent respectivement agrave controcircler la pression et le
deacutebit du fluide qui est livreacute aux reacutecepteurs (veacuterins) Lorsque lrsquohuile hydraulique traverse une
valve de pression le fluide est soumis agrave une reacuteduction de pression (de p agrave prsquo) et lorsque cette
huile traverse une valve de deacutebit elle subit une limitation de deacutebit (de Q agrave Qrsquo)
2113 Reacutecepteurs
Les reacutecepteurs dans le systegraveme hydraulique sont agrave mouvement lineacuteaire Les veacuterins sont des
reacutecepteurs qui absorbent lrsquoeacutenergie fluide et la transforment pour produire un travail meacutecanique
en translation Le veacuterin reccediloit le fluide sous pression et en extrait lrsquoeacutenergie avant de le renvoyer
vers le reacuteservoir Le veacuterin est caracteacuteriseacute par une aire A Ainsi on peut exprimer les deux
variables de sortie vo et Fo en fonction des deux variables drsquoentreacutee prsquo et Qrsquo selon les eacutequations
suivantes
prime
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Dans le cas drsquoun veacuterin ideacuteal on peut eacutecrire
Soit
Ougrave vo = vitesse (ms)
A = aire effective (m2)
Fo = force (N)
212 Composantes de liaison
Dans le systegraveme hydraulique les composantes de liaison sont le fluide lui-mecircme et les diverses
canalisations Lrsquohuile hydraulique (fluide) sert agrave transporter lrsquoeacutenergie fluide mais aussi agrave
lubrifier les piegraveces mobiles des veacuterins Cette huile circule dans les canalisations drsquoune
composante agrave une autre Pour eacuteviter drsquoinfluencer lrsquoefficaciteacute et la fiabiliteacute du systegraveme
hydraulique on doit bien choisir dimensionner et installer les canalisations
213 Composantes passives
Les composantes passives du systegraveme hydraulique sont respectivement le reacuteservoir de la pompe
qui permet le stockage de lrsquohuile et la creacutepine qui est un filtre grossier qui protegravege le fluide
contre les polluants externes
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22 Eacutelaboration des hypothegraveses
Voici toutes les hypothegraveses qui ont eacuteteacute poseacutees dans le cadre de ce projet
- La pompe fournie suffisamment de puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins
simultaneacutement
- Les pertes volumeacutetriques dans le circuit sont consideacutereacutees comme eacutetant neacutegligeables
- La pompe se deacutecharge par une valve de mise agrave vide lorsque les veacuterins sont au repos
- Le troisiegraveme distributeur installeacute par Geacuteliko Inc est inutile actuellement
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3 MISE EN ŒUVRE DU MANDAT
31 La recherche de solutions
311 Solution No 1 - Automate programmable
Un automate programmable industriel (API) est un dispositif eacutelectronique qui exerce des
fonctions de controcircle de processus industriels Sa fonction est drsquoenvoyer des commandes aux
preacuteactionneurs (ex les valves) agrave partir des donneacutees drsquoentreacutees qui proviennent des diffeacuterents
capteurs LrsquoAPI est composeacutee drsquoune uniteacute de calculs (processeur) drsquoune alimentation ACDC
et de modules qui sont choisis selon les besoins de lrsquoapplication tel que les cartes drsquoentreacutees-
sorties les modules de communication les modules de commande etc LrsquoAPI peut ecirctre relieacutee agrave
une interface homme-machine agrave un pupitre opeacuterateur agrave une interface graphique ou agrave un
ordinateur Les langages de programmation standards de lrsquoAPI sont le Grafcet et le Ladder
Figure 8 API de marque Allen-Bradley
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Tableau 1 Avantages et inconveacutenients drsquoun automate programmable
Avantages Inconveacutenients
Peu encombrant
Temps de reacuteponse rapide
Facile agrave programmer
Consommation eacutelectrique
acceptable
Configurables et extensibles par
modules
Robuste
Dispendieux pour les petites ou
simples applications
Logiciel de programmation non
gratuit
312 Solution No 2 - Microcontrocircleur
Un microcontrocircleur est comme lrsquoAPI un dispositif eacutelectronique programmable qui peut lire des
signaux drsquoentreacutees et envoyer des signaux de commande agrave des peacuteripheacuteriques externes De plus
le microcontrocircleur rassemble dans un circuit inteacutegreacute tous les eacuteleacutements essentiels agrave son bon
fonctionnement soit le processeur la meacutemoire les uniteacutes peacuteripheacuteriques et les interfaces
drsquoentreacutees-sorties Les langages de programmation des microcontrocircleurs sont varieacutes Basic C
C++ Java etc
Figure 9 Microcontrocircleur de marque Arduino
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 27
Tableau 2 Avantages et inconveacutenients drsquoun microcontrocircleur
Avantages Inconveacutenients
Tregraves peu encombrant
Tregraves faible consommation
eacutelectrique
Logiciel de programmation
geacuteneacuteralement gratuit
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Peu drsquoentreacuteessorties
Langages de programmation plus
contraignants que le Ladder et le
Grafcet
Non extensible
Tregraves fragile
Vitesse de fonctionnement plus
faible
313 Solution No 3 - Relais
Avant lrsquoavegravenement de lrsquoautomate programmable dans le deacutebut des anneacutees 1970 les systegravemes
eacutetaient automatiseacutes agrave lrsquoaide de relais Les relais peuvent ecirctre activeacutes et deacutesactiveacutes sans
interrupteur manuel Aujourdrsquohui les relais servent agrave reacuteduire la taille des panneaux de controcircle
des machines ou agrave creacuteer des cycles drsquoautomatismes simples Mais pour les automatismes qui
requiegraverent un grand nombre drsquoentreacutees sorties on doit remplacer le systegraveme de relayage
devenant trop complexe par un automate programmable
Figure 10 Relais meacutecanique
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 28
Tableau 3 Avantages et inconveacutenients drsquoun relais
Avantages Inconveacutenients
Pas de programmation requise
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Tregraves encombrant
Solution non ideacuteale pour creacuteer des
cycles drsquoautomatismes complexes
Technologie vieillissante
32 Eacutelaboration du baregraveme
Le baregraveme est essentiel lors de lrsquoeacutetape de la prise de deacutecision pour accorder le pointage agrave
chaque solution et pour permettre au concepteur de se fixer des prioriteacutes de conception Le
baregraveme est conccedilu en fonction des critegraveres de qualiteacutes rechercheacutees que lrsquoon associe agrave une eacutechelle
de satisfaction avec une pondeacuteration de 1 agrave 4
Tableau 4 Baregraveme
Critegraveres Objectif 1 2 3 4 Simpliciteacute La programmation
etou lrsquoinstallation de la solution doivent ecirctre faciles
Tregraves difficile Difficile Facile Tregraves facile
Compatibiliteacute Lrsquouniteacute doit ecirctre compatible avec les eacutequipements du banc drsquoessai
Pas compatible Peu compatible Compatible Tregraves compatible
Espace Lrsquoespace requis pour installer lrsquouniteacute est limiteacute
Volume imposant Volume eacuteleveacute Volume moyen Volume neacutegligeable
Fiabiliteacute Durabiliteacute
Lrsquouniteacute doit ecirctre fiable et durable
Tregraves faible Moyennement faible
Moyennement eacuteleveacute
Eacuteleveacute
Coucirct Les contraintes budgeacutetaires doivent ecirctre respecteacutees
Tregraves dispendieux Dispendieux Abordable Tregraves abordable
Efficaciteacute eacutenergeacutetique
La consommation eacutelectrique doit diminuer
Consommation eacuteleveacutee
Consommation normale
Consommation faible
Consommation tregraves faible
Seacutecuriteacute Les risques drsquoaccident de travail doivent diminuer
Tregraves risqueacute Risqueacute Peu risqueacute Aucun risque
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 29
33 Matrice de deacutecision Le tableau suivant preacutesente la matrice de deacutecision Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation de chacune des
solutions on a attribueacute agrave chaque critegravere une note situeacutee en 1 et 4 Les notes des critegraveres sont
multiplieacutees par leurs pondeacuterations respectives ils sont ensuite additionneacutes puis enfin diviser par
4 pour obtenir la note en pourcentage de chaque solution Selon les scores obtenus crsquoest
lrsquoautomate programmable qui est consideacutereacute comme eacutetant la meilleure uniteacute de controcircle
Tableau 5 Matrice de deacutecision
Critegraveres Pondeacuteration Solution 1 2 3
Automate programmable
Microcontrocircleur Relais
Simpliciteacute 30 4 3 1 Compatibiliteacute 20 4 2 1
Espace 5 3 4 1 FiabiliteacuteDurabiliteacute 10 4 2 1
Coucirct 15 2 4 3 Efficaciteacute
eacutenergeacutetique 5 3 4 2
Seacutecuriteacute 15 4 1 1 Reacutesultat 100 90 662 338
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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34 La conception de la solution recommandeacutee
341 Eacutetude du systegraveme hydraulique existant
La preacutesente section est une eacutetude plus deacutetailleacutee portant sur les principales composantes dont est
constitueacute le banc drsquoessai actuel Lrsquoeacutetude comporte une analyse de leurs caracteacuteristiques
principales et de leurs modes de fonctionnements On y preacutesente eacutegalement les symboles
graphiques de ces composantes Cette eacutetude est une eacutetape primordiale pour pouvoir bien choisir
les nouveaux eacutequipements et concevoir le circuit hydraulique de la solution finale
3411 Ensemble pompe-moteur-reacuteservoir
Comme dans les tous systegravemes hydrauliques le banc drsquoessai dispose drsquoun ensemble pompe-
moteur-reacuteservoir La pompe transforme lrsquoeacutenergie meacutecanique fournie par le moteur eacutelectrique
rotatif en eacutenergie fluide La pompe deacutemarre degraves qursquoon branche le moteur eacutelectrique agrave la prise de
courant Vous retrouverez ci-dessous les speacutecifications de ces composantes et une photo prise
sur place de lrsquoensemble
Moteur eacutelectrique AC
Figure 11 Repreacutesentation scheacutematique du moteur eacutelectrique AC
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 31
Tableau 6 Speacutecifications du moteur eacutelectrique
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Puissance
(HP)
Voltage
(V)
Vitesse
(RPM)
HY-SPEC MFG03 HYSW850203-1G 1 110220 1800
Pompe
Tableau 7 Speacutecifications de la pompe (supposition5)
Marque Deacutebit max
(GPM)
Pression max
(PSI)
Cylindreacutee
(cm3tr)
Inconnu 18 3200 PSI 4
Reacuteservoir
Figure 12 Repreacutesentation scheacutematique du reacuteservoir
5 Le deacutebit et la pression pouvant ecirctre fournie par la pompe sont des informations qui ont eacuteteacute fournies par
lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai mais qui ne sont pas veacuterifiables
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Tableau 8 Speacutecifications du reacuteservoir
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Volume
(L)
HY-SPEC V120 HYSW880117 12
Figure 13 Photo de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3412 Bloc Manifold (bloc foreacute)
Un bloc manifold est un bloc de meacutetal avec plusieurs canaux inteacutegreacute conccedilu pour la conduite de
fluide dans des espaces confineacutes On retrouve sur le bloc des caviteacutes dans lesquelles on peut
installer diffeacuterentes composantes hydrauliques (valves manomegravetres tuyau etc)
Tableau 9 Speacutecifications du bloc manifold
Marque Numeacutero de
seacuterie
Description Nombre
de
sections
Ports Orifice
de
seacutecuriteacute
Pression
drsquoopeacuteration
maximale
(PSI)
HY-
SPEC
HYSDD03-
P-03-2SS
Type D03
Circuit
parallegravele
3 P amp T = SAE 10
A amp B = SAE 8
GA = SAE 6
T-10A 5000
Figure 14 Photo du bloc manifold
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3413 Veacuterins
Les 2 veacuterins hydrauliques utiliseacutes dans le banc drsquoessai sont des veacuterins agrave mouvement lineacuteaire et agrave
double effet (deux directions de travail) qui convertissent lrsquoeacutenergie fluide en eacutenergie
meacutecanique Chaque veacuterin est composeacute drsquoun tube cylindrique (le cylindre) dans lequel est
inseacutereacutee une piegravece mobile (le corps du piston) qui assure lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre deux chambres La
tige rigide qui est relieacutee au corps du piston sert agrave transmettre lrsquoeffort et le deacuteplacement Les
veacuterins comportent deux orifices (alimentation et refoulement) et la pression peut ecirctre appliqueacutee
de chaque cocircteacute du piston pour entraicircner son deacuteplacement dans un sens ou dans lautre Ce sont
les distributeurs qui permettent drsquointervertir les rocircles des deux orifices pour controcircler la
direction de la tige
Par ailleurs il peut y avoir des fuites volumeacutetriques internes et externes dans les veacuterins et qui
sont indeacutesirables car elles reacuteduisent la dureacutee de vie et le rendement des veacuterins La fuite interne
est en fait un eacutecoulement de lrsquohuile de la chambre agrave haute pression vers la chambre agrave basse
pression qui est due au jeu entre le corps du piston et la paroi interne du cylindre Il peut
eacutegalement y avoir une fuite externe due au jeu entre la tige du piston et la tecircte du cylindre Pour
reacuteduire ces fuites on installe des joints drsquoeacutetancheacuteiteacutes sur le corps du piston et sur la tecircte du
cylindre
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees)
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 35
Leacutegende
1 Cylindre 5 Chambre de refoulement
2 Piston A Orifice drsquoadmission
3 Tige R Orifice de refoulement
4 Chambre drsquoadmission
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin
La principale caracteacuteristique des veacuterins est lrsquoaire effective sur laquelle le fluide exerce une
pression Les aires effectives du corps du piston (cocircteacute fond du veacuterin et cocircteacute tecircte du veacuterin) sont
diffeacuterentes agrave cause de la preacutesence de la tige sur une seule face du corps du piston Par
conseacutequent pour des mecircmes pressions drsquoadmission la force de contraction est plus faible que
la force drsquoextension Les eacutequations ci-dessous servent agrave convertir les forces (lb) en pression
(psi) selon le sens drsquoapplication du veacuterin
Calcul pour la conversion force-pression
Diamegravetre du piston6 25 po
Diamegravetre de la tige 15 po
lowast egrave
4lowast 25po
449087
lowast egrave
4lowast 15po
417671
ocirc eacute ecirc eacute
ocirc eacute eacute
6 Bore est le terme eacutequivalent du corps du piston
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins
Marque Numeacutero de seacuterie Type drsquoorifices Poids
(livres)
Pression
maximale
(pouce)
HY-SPEC HYS 25FEM24-NW SAE-8 40 3000 PSI
3414 Manomegravetre
Actuellement les pressions exerceacutees dans le bloc manifold et dans chaque chambre des veacuterins
sont mesureacutees agrave lrsquoaide de manomegravetre agrave glyceacuterine
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine
Marque Numeacutero de seacuterie Localisation Diamegravetre
(pouce)
Connexion Eacutechelle du
cadran
(PSI)
HY-
SPEC
HYSG22LXB3000PSI-
14NPT
Bloc
manifold
25
frac14 NPT
0 agrave 3000
HY-
SPEC
HYSG22LXB5000PSI-
14NPT
2 par veacuterin 0 agrave 5000
G
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3415 Les distributeurs
Dans le systegraveme hydraulique les distributeurs (valves de distribution) sont les composantes
actives (modulateurs) qui permettent la distribution du flux drsquoeacutenergie vers les 2 veacuterins
(reacutecepteurs) pour les libeacuterer les arrecircter ou les reacutetracter Sur les trois distributeurs installeacutes sur le
banc drsquoessai seuls 2 drsquoentre eux sont utiliseacutes Le troisiegraveme distributeur a eacuteteacute installeacute au cas ougrave
un troisiegraveme veacuterin serait neacutecessaire pour reacutealiser des tests futurs drsquoapregraves lrsquoopeacuterateur du banc
drsquoessai Il srsquoagit de distributeurs agrave tiroir (de type coulissant) agrave quatre orifices et agrave trois positions
agrave action piloteacutee agrave commande eacutelectrique par soleacutenoiumldes et agrave centrage par ressort de rappel
En alimentant lrsquoun des deux soleacutenoiumldes avec un courant eacutelectrique le tiroir du distributeur se
deacuteplace et lrsquohuile circule par des canaux internes de la valve vers lrsquoune des extreacutemiteacutes du tiroir
principal pendant que lrsquoautre extreacutemiteacute de ce tiroir est raccordeacutee au reacuteservoir du systegraveme par
lrsquoaction du distributeur pilote La pression qui srsquoexerce sur la face du tiroir principal engendre
une force qui pousse ce dernier et le maintien en position agrave voies parallegraveles ou en position agrave
voies croiseacutees En alternant entre la position agrave voies parallegraveles et la position agrave voies croiseacutees le
sens de lrsquoeacutecoulement du fluide dans le veacuterin change et donc le sens de lrsquoapplication de la force
Par ailleurs lorsque les deux soleacutenoiumldes du distributeur ne sont plus alimenteacutes par un courant
eacutelectrique le tiroir principal revient agrave sa position de repos gracircce agrave la pousseacutee du ressort de
rappel Puisqursquoil srsquoagit de distributeurs agrave centre fermeacute lrsquohuile ne peut alors plus circuler dans
les distributeurs et ecirctre achemineacutee dans les veacuterins
Figure 18 Les trois positions des distributeurs
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Leacutegende
T Orifice du reacuteservoir
P Orifice de la pompe
A amp B Admission et refoulement
1 Tiroir
2 Corps de valve
3 Ressort de rappel
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute
Figure 20 Photos des 3 distributeurs
Marque Numeacutero de seacuterie Tension
(V)
Deacutebit
max
(GPM)
Pression admissible
(PSI)
HY-
SPEC
HYSFW-02-3C2-
B110-Z5L-50
24 DC 9 4750
(Orifice A B P)
2320
(Orifice T)
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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La commande des distributeurs
Actuellement lrsquoalimentation des soleacutenoiumldes en courant se fait via deux manettes de controcircle
On retrouve sur ces manettes au total 6 boutons qui permettent lrsquoactivation de chacun des
soleacutenoiumldes Le soleacutenoiumlde demeure alimenteacute tant que lrsquoopeacuterateur exerce une pression sur le
bouton Eacutevidemment ces manettes deviendront inutiles lorsque les soleacutenoiumldes seront alimenteacutes
par lrsquoautomate programmable dans la solution finale
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle
Marque Numeacutero de seacuterie Nombre de boutons
HY-SPEC
HYST90009-3P 2
HYST90012-3P 4
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle
Figure 22 Boicircte de conversion7 entre la manette et le distributeur
7 Aucune speacutecification nrsquoest disponible pour la boicircte de conversion des manettes de controcircle
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3416 Limiteurs de deacutebit
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit
Les limiteurs de deacutebit permettent de controcircler les deacutebits drsquoalimentation des veacuterins et par ce fait
les vitesses de sortie et de rentreacutee des tiges des deux veacuterins Pour y arriver ces valves reacutegulent
le deacutebit du fluide en diminuant la section de lrsquoouverture emprunteacutee par celui-ci Le deacutebit est
proportionnel agrave cette ouverture et agrave la racine carreacutee de la perte de charge Sur le banc drsquoessai on
retrouve 2 eacutetrangleurs reacuteglables agrave pointeau par veacuterin Lrsquoeacutetrangleur agrave pointeau est coupleacute dans le
mecircme corps de la valve avec un clapet de retenue avec ressort8 pour que le deacutebit ne soit limiteacute
que dans un seul sens de lrsquoeacutecoulement
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort
Marque Numeacutero de seacuterie Type
Vickers DGMFN-3-Y-A2W-B2W-41 Port double
8 Il y a ouverture du clapet si la pression drsquoentreacutee est supeacuterieure agrave la somme de la pression de sortie et de la pression du ressort
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
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47
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nomegravetres
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modegraveles
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force de
ortie est
e via un
puisqursquoil
200 mA agrave miteurs de
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
vi
3 MISE EN ŒUVRE DU MANDAT 25
31 La recherche de solutions 25
311 Solution No 1 - Automate programmable 25
312 Solution No 2 - Microcontrocircleur 26
313 Solution No 3 - Relais 27
32 Eacutelaboration du baregraveme 28
33 Matrice de deacutecision 29
34 La conception de la solution recommandeacutee 30
341 Eacutetude du systegraveme hydraulique existant 30
342 Choix des composantes 47
343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale 50
344 Asservissement du systegraveme hydraulique 52
4 ESTIMATION DES COUcircTS 54
5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute 55
6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE 56
CONCLUSION 57
RECOMMANDATIONS 58
BIBLIOGRAPHIE 59
ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique 60
ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc 66
ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle 67
ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles 71
ANNEXE-E Manomegravetre digital 79
ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute 81
vii
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1 Avantages et inconveacutenients drsquoun automate programmable 26
Tableau 2 Avantages et inconveacutenients drsquoun microcontrocircleur 27
Tableau 3 Avantages et inconveacutenients drsquoun relais 28
Tableau 4 Baregraveme 28
Tableau 5 Matrice de deacutecision 29
Tableau 6 Speacutecifications du moteur eacutelectrique 31
Tableau 7 Speacutecifications de la pompe (supposition) 31
Tableau 8 Speacutecifications du reacuteservoir 32
Tableau 9 Speacutecifications du bloc manifold 33
Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins 36
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine 36
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute 38
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle 39
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort 40
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire 42
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
43
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec
soleacutenoiumlde 46
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie 48
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112 48
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital 49
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique 50
viii
LISTE DES FIGURES
Figure 1 Modegraveles de siegraveges fabriqueacutes par Amobi 12
Figure 2 Cellules pneumatiques gonflables dans le siegravege Tech 3001 13
Figure 3 Banc drsquoessai agrave lrsquoœuvre sur un siegravege de la compagnie Amobi chez PMG Technologies agrave
Blainville 14
Figure 4 Point drsquoapplication de la force 17
Figure 5 Point dapplication de la force 18
Figure 6 Points drsquoapplication des charges 19
Figure 7 Diagramme des principales composantes dun systegraveme hydraulique 20
Figure 8 API de marque Allen-Bradley 25
Figure 9 Microcontrocircleur de marque Arduino 26
Figure 10 Relais meacutecanique 27
Figure 11 Repreacutesentation scheacutematique du moteur eacutelectrique AC 30
Figure 12 Repreacutesentation scheacutematique du reacuteservoir 31
Figure 13 Photo de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir 32
Figure 14 Photo du bloc manifold 33
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees) 34
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin 35
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold 36
Figure 18 Les trois positions des distributeurs 37
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur 38
Figure 20 Photos des 3 distributeurs 38
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle 39
Figure 22 Boicircte de conversion entre la manette et le distributeur 39
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit 40
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit 40
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique 41
Figure 26 Photo des limiteurs de pression 42
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P 42
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold 43
ix
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute 45
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee 45
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide 46
Figure 32 Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle de type cartouche 47
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05
lmn) 48
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie 49
Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale 51
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence 55
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
56
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en
fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68) 62
x
LISTE DES ABREacuteVIATIONS
API Automate programmable industriel
PLC Programmable Logic Controller (eacutequivalent anglais de API)
CPU Central Processing Unit (eacutequivalent anglais de processeur)
ES EntreacuteeSortie
GRAFCET Graphe fonctionnel de commande drsquoeacutetape-transition
PID Proportionnel inteacutegral deacuteriveacute
GEMMA Guide drsquoeacutetude des modes de marches et arrecircts
CA Courant alternatif
CC Courant continu
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 11
INTRODUCTION
Le preacutesent document est le fruit du travail effectueacute dans le cadre du projet drsquoeacutetude en
ingeacutenierie Le projet en question est reacutealiseacute pour Amobi un manufacturier de siegraveges
pneumatiques ergonomiques haut de gamme pour camions autobus et eacutequipements industriels
Les clients drsquoAmobi deacutesirent que les siegraveges installeacutes dans leurs veacutehicules soient conformes aux
normes de seacutecuriteacute volontaire1 des CMVSS no 207 et 210 de Transport Canada Lrsquoobjectif
principal de ce projet est de concevoir une uniteacute de controcircle pour reacutesoudre les restrictions
majeures que rencontre le banc drsquoessai preacutesentement Le banc drsquoessai actuel ne permet pas de
respecter la proceacutedure des tests et il est difficile agrave opeacuterer Pour atteindre cet objectif la seacutelection
des composantes hydrauliques et eacutelectroniques la conception du circuit hydraulique de la
solution finale lrsquoeacutecriture du programme de lrsquouniteacute de controcircle et la conception drsquoune interface
homme-machine doivent ecirctre effectueacutees
1 Une norme volontaire nrsquoa pas agrave ecirctre obligatoirement respecteacutee comparativement aux lois et regraveglements dicteacutes par les gouvernements provinciaux et feacutedeacuteraux La plupart du temps lrsquoentreprise consent agrave adheacuterer agrave ces normes autoreacuteglementaires puisque cela preacutesente plus davantages que dinconveacutenients
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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1 EacuteTUDE DES BESOINS ET MANDAT
Cette section documente tous les renseignements obtenus lors de la collecte de donneacutees
11 Preacutesentation de lrsquoentreprise
Lrsquoentreprise pour laquelle le projet est reacutealiseacute est Amobi Cette compagnie fait partie du
Groupe Dion qui possegravede plusieurs divisions soit industrielles (Pro-AB Eacutequipement TNO
Dion Peinture Industrielle Amobi Acces Industriel Access Mining Services) automobiles
(Action Kia Acces Toyota Hino Nord-Ouest Location Dion Au Carrossier) et de produits
reacutecreacuteatifs (Eacutequipement TNO Marine Lamy et Amobi) Amobi est un manufacturier de siegraveges
pneumatiques ergonomiques haut de gamme pour camions autobus et eacutequipements industriels
Amobi fabrique eacutegalement des toiles protectrices multiusages pour bateaux pontons motos
tracteurs et motoneiges Dans ce travail et dans ceux qui suivront nous ne traiterons toutefois
pas davantage de ces derniers puisque notre projet relegraveve plutocirct du deacutepartement qui srsquooccupe de
la fabrication des siegraveges Amobi dessert le marcheacute canadien mais exporte aussi ces siegraveges agrave des
agents manufacturiers et des distributeurs disperseacutes dans diffeacuterentes reacutegions des Eacutetats-Unis La
figure 2 preacutesente la gamme de siegraveges fabriqueacutee par Amobi
Figure 1 Modegraveles de siegraveges fabriqueacutes par Amobi
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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12 Description du produit
Les siegraveges fabriqueacutes par Amobi sont constitueacutes de plusieurs ballons indeacutependants qui se
gonflent pour srsquoadapter agrave la masse et agrave la taille du conducteur Ces ballons apportent un support
dorsal et lateacuteral qui combineacute agrave la base pneumatique agrave amortisseurs permet de diminuer
lrsquoimpact des chocs et des vibrations creacuteeacutes par la route sur le corps du conducteur
Ces siegraveges sont entiegraverement reacuteglables crsquoest-agrave-dire que des manettes de controcircle permettent
lrsquoajustement de nombreux points selon les preacutefeacuterences du conducteur la position avant-arriegravere
du siegravege la profondeur et lrsquoinclinaison de lrsquoassise lrsquoinclinaison du dossier la forme de lrsquoassise
et du dossier la hauteur du siegravege et la suspension de la base du siegravege Les produits fabriqueacutes par
Amobi sont tregraves durables car ils doivent tenir aussi longtemps que le veacutehicule dans lequel ils
seront installeacutes De plus ils doivent aussi reacutesister agrave des ajustements tregraves freacutequents puisque ces
veacutehicules sont souvent conduits par un grand nombre de personnes diffeacuterentes
La majoriteacute des piegraveces composant les siegraveges sont fabriqueacutees par des sous-traitants
Lrsquoassemblage du produit final est cependant entiegraverement fait chez Amobi Crsquoest aussi lagrave que se
fait la conception lrsquoameacutelioration et le test des produits fabriqueacutes
Figure 2 Cellules pneumatiques gonflables dans le siegravege Tech 3001
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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13 Description du proceacutedeacute
Les produits drsquoAmobi sont faits selon les besoins des clients et la majoriteacute de ceux-ci deacutesirent
que les siegraveges installeacutes dans leurs veacutehicules soient conformes aux normes volontaires de
Transport Canada Pour srsquoassurer de cette conformiteacute la compagnie doit tester elle-mecircme ses
siegraveges avant drsquoen produire un grand nombre lorsqursquoil srsquoagit drsquoun nouveau concept ou drsquoun
concept existant dont on a modifieacute des composantes structurales Crsquoest pourquoi Amobi srsquoest
doteacute drsquoun banc drsquoessai pour siegravege visant agrave tester la conformiteacute aux Normes de seacutecuriteacute des
veacutehicules automobiles du Canada (NSVAC ou CMVSS - Canada Motor Vehicle Safety
Standards) no 207 et 210
Les essais effectueacutes visent agrave tester la reacuteaction du siegravege et de son ancrage agrave diffeacuterentes forces
appliqueacutees sur celui-ci Le banc est donc constitueacute drsquoun cadre de meacutetal sur lequel est installeacute un
exemple drsquoancrage de siegravege fourni par la compagnie Novabus client drsquoAmobi ainsi que drsquoune
uniteacute composeacutee de deux cylindres hydrauliques pour appliquer les forces en question
Figure 3 Banc drsquoessai agrave lrsquoœuvre sur un siegravege de la compagnie Amobi chez PMG Technologies agrave Blainville
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14 Mise en contexte de la probleacutematique
Preacutesentement lrsquoentreprise a un banc drsquoessai qui est utiliseacute pour effectuer les tests normatifs
exigeacutes par les normes CMVSS 207 et 210 Lrsquouniteacute de controcircle utiliseacute jusqursquoagrave ce jour preacutesente
des restrictions majeures tel que
1 Seule une personne expeacuterimenteacutee dans le controcircle des valves soleacutenoiumldes est apte agrave
opeacuterer le banc de faccedilon acceptable Le banc drsquoessai ne dispose pas drsquoune interface
homme-machine conviviale
2 Le controcircle des forces appliqueacutees par les veacuterins hydrauliques se fait par le reacuteglage des
valves Les forces ne sont pas appliqueacutees instantaneacutement
3 Le banc drsquoessai actuel ne permet pas drsquoappliquer deux forces simultaneacutement sur le
siegravege
4 Il y a un leacuteger deacuteplacement du siegravege pendant lrsquoopeacuteration du banc drsquoessai ce qui fait en
sorte que les forces reacuteelles appliqueacutees par les cylindres ne demeurent pas constantes
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai doit continuellement surveiller plusieurs manomegravetres et
ajuster la pression dans les cylindres pour corriger les effets de cette perturbation
5 La mesure des pressions deacuteployeacutees est peacutenible agrave cause de lrsquoimpreacutecision de lrsquoeacutechelle des
cadrans des manomegravetres Il est ainsi impossible drsquoopeacuterer le banc drsquoessai agrave basse
pression
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15 Objectifs contraintes et restrictions
Lrsquoobjectif principal de ce projet est de concevoir une uniteacute de controcircle reacutesolvant les restrictions
majeures que rencontre le banc drsquoessai preacutesentement En drsquoautres mots Amobi veut disposer
drsquoun banc drsquoessai permettant drsquoeffectuer tous les tests relieacutes aux normes CMVSS 207-210 en
gagnant en flexibiliteacute et faciliteacute drsquoutilisation Drsquoautre part lrsquoune des contraintes de ce projet est
lrsquoadaptation de la solution recommandeacutee sur le banc drsquoessai existant Il y a eacutegalement une
contrainte moneacutetaire puisque lrsquoinvestissement total de lrsquoensemble de la solution ne doit pas
deacutepasser 8000 $ Le client est agrave la recherche drsquoune solution la plus abordable possible puisque
le banc drsquoessai nrsquoest utiliseacute que quelques fois par anneacutee
16 Formulation du mandat
Les tacircches du mandat de ce projet sont les suivantes
1 Analyser lrsquouniteacute actuelle
2 Concevoir une uniteacute de controcircle incluant
La seacutelection des composantes hydrauliques et eacutelectroniques
Le plan du circuit hydraulique de la solution finale
Le programme de lrsquouniteacute de controcircle
3 Concevoir une interface homme-machine conviviale
4 Reacutediger un mode drsquoemploi pour lrsquoutilisation du banc drsquoessai
5 Eacutevaluer le budget neacutecessaire pour fabriquer la nouvelle uniteacute
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17 Normes applicables
La compagnie SRD Bolduc Inc a preacutepareacute en 2005 pour Amobi un document deacutecrivant les
proceacutedures agrave suivre les informations agrave rapporter et le format des rapports drsquoessais requis pour
deacutemontrer la conformiteacute de siegraveges de veacutehicules aux normes de seacutecuriteacute des veacutehicules
automobiles du Canada NSVACCMVSS no 207 (ancrage des siegraveges) et 210 (ancrage de
ceinture de seacutecuriteacute) Vous retrouvez ci-dessous la description des trois tests normatifs qui
doivent ecirctre effectueacutes sur les siegraveges que lrsquoon deacutesire tester
Test No 1ndash Application de la force produisant un couple [NSVAC 207 1(b)ii(A)]
Figure 4 Point drsquoapplication de la force
Eacutetape 1
Appliquer une charge (en livres) eacutegale agrave 3300 diviseacutee par la distance laquo D raquo La distance laquo D raquo
eacutetant la distance en pouces entre le point de reacutefeacuterence assise2 et la piegravece transversale la plus
eacuteleveacutee du dossier ou de la partie supeacuterieure du dossier La charge doit ecirctre appliqueacutee sur la
partie transversale la plus eacuteleveacutee du dossier et vers lrsquoarriegravere agrave un angle de 0 degreacute
Eacutetape 2
Relacirccher la charge
2 La meacutethode pour deacuteterminer le point de reacutefeacuterence assise est expliqueacutee en annexe
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Test No 2ndash Application de la charge vers lrsquoarriegravere [NSVAC 207 1(a)i(B)]
Figure 5 Point dapplication de la force
Eacutetape 1
Appliquer une charge (en livres) eacutegale agrave 20 fois le poids du siegravege sur un intervalle de temps de
29 secondes La charge doit ecirctre appliqueacutee au centre de graviteacute du siegravege et vers lrsquoarriegravere agrave un
angle de 0 degreacute
Eacutetape 2
Maintenir la charge pendant au moins 10 secondes
Eacutetape 3
Relacirccher la charge
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Test No 3ndash Application simultaneacutee des forces [NSVAC 207 1(a)ii]
Figure 6 Points drsquoapplication des charges
Eacutetape 1
Appliquer 2 charges simultaneacutement sur un intervalle de temps de 29 secondes
- La premiegravere charge (en livres) est eacutegale agrave 20 fois le poids du siegravege et est appliqueacutee au
centre de graviteacute du siegravege vers lrsquoavant agrave un angle de 0 degreacute
- La valeur de la seconde charge deacutepend du type de ceinture installeacutee sur le siegravege Srsquoil
srsquoagit drsquoune ceinture de type I3 la charge agrave appliquer est de 5000 livres Si la ceinture
est de type II4 la charge agrave appliquer est de 3000 livres Cette charge doit ecirctre appliqueacutee
par le biais drsquoune forme de corps retenue par la ceinture de seacutecuriteacute du veacutehicule agrave un
angle compris entre 5 et 10 degreacutes de lrsquohorizontale
Eacutetape 2
Maintenir les charges pendant au moins 10 secondes
Eacutetape 3
Relacirccher les charges
3 Ceinture de seacutecuriteacute agrave 2 points drsquoancrage ougrave une seule sangle est raccordeacutee de chaque cocircteacute du bassin 4 Ceinture de seacutecuriteacute agrave 3 points drsquoancrage ougrave la sangle agrave deux points remonte en travers la poitrine du passager
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2 CADRE THEacuteORIQUE ET EacuteLABORATION DES HYPOTHEgraveSES
21 Cadre theacuteorique
Tout systegraveme agrave fluide sous pression comme celui du banc drsquoessai est toujours composeacute de trois
types de composantes soit
‐ Les composantes actives qui convertissent et modulent lrsquoeacutenergie
‐ Les composantes de liaison qui acheminent lrsquoeacutenergie drsquoune composante active agrave une
autre du moteur agrave la charge
‐ Les composantes passives qui exercent des fonctions secondaires mais qui sont
essentielles pour assurer le bon fonctionnement du systegraveme
Figure 7 Diagramme des principales composantes dun systegraveme hydraulique
211 Composantes actives
2111 Geacuteneacuterateurs
Sur le banc drsquoessai crsquoest la pompe (geacuteneacuterateur pour les liquides) qui produit lrsquoeacutenergie fluide
(volume de fluide sous pression) La puissance fluide est le taux de variation de cette eacutenergie
fluide et est obtenue en multipliant le deacutebit Q et la pression p du fluide
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La pompe se caracteacuterise par sa cylindreacutee D qui deacutepend du volume de fluide refouleacute par uniteacute
de deacuteplacement angulaire de lrsquoarbre (tour ou radian) Les variables de sortie Q et P peuvent ecirctre
exprimeacutees en fonction des variables drsquoentreacutee ωi et Ti selon les eacutequations suivantes
Q ω D
ougrave Q = deacutebit (m3s)
ωi = vitesse angulaire (rads)
D = cylindreacutee (m3rad)
p = pression (Pa)
Ti = couple (Nm)
En consideacuterant la pompe comme un geacuteneacuterateur ideacuteal permettant de transformer lrsquoeacutenergie fluide
sans aucune perte on peut affirmer que la puissance fluide P au refoulement est eacutegale agrave la
puissance meacutecanique drsquoentreacutee Pi soit
ougrave
ougrave Pi est exprimeacute en watts
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2112 Modulateurs
Les modulateurs dans le systegraveme hydraulique sont les valves de direction (distributeurs) les
valves de pression et les valves de deacutebit Sur le banc drsquoessai les valves de direction
(distributeurs) permettent de diriger le fluide drsquoun cocircteacute ou de lrsquoautre dans les veacuterins
(reacutecepteurs) pour qursquoils puissent travailler dans la direction voulue
Les valves de pression et les valves de deacutebit servent respectivement agrave controcircler la pression et le
deacutebit du fluide qui est livreacute aux reacutecepteurs (veacuterins) Lorsque lrsquohuile hydraulique traverse une
valve de pression le fluide est soumis agrave une reacuteduction de pression (de p agrave prsquo) et lorsque cette
huile traverse une valve de deacutebit elle subit une limitation de deacutebit (de Q agrave Qrsquo)
2113 Reacutecepteurs
Les reacutecepteurs dans le systegraveme hydraulique sont agrave mouvement lineacuteaire Les veacuterins sont des
reacutecepteurs qui absorbent lrsquoeacutenergie fluide et la transforment pour produire un travail meacutecanique
en translation Le veacuterin reccediloit le fluide sous pression et en extrait lrsquoeacutenergie avant de le renvoyer
vers le reacuteservoir Le veacuterin est caracteacuteriseacute par une aire A Ainsi on peut exprimer les deux
variables de sortie vo et Fo en fonction des deux variables drsquoentreacutee prsquo et Qrsquo selon les eacutequations
suivantes
prime
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Dans le cas drsquoun veacuterin ideacuteal on peut eacutecrire
Soit
Ougrave vo = vitesse (ms)
A = aire effective (m2)
Fo = force (N)
212 Composantes de liaison
Dans le systegraveme hydraulique les composantes de liaison sont le fluide lui-mecircme et les diverses
canalisations Lrsquohuile hydraulique (fluide) sert agrave transporter lrsquoeacutenergie fluide mais aussi agrave
lubrifier les piegraveces mobiles des veacuterins Cette huile circule dans les canalisations drsquoune
composante agrave une autre Pour eacuteviter drsquoinfluencer lrsquoefficaciteacute et la fiabiliteacute du systegraveme
hydraulique on doit bien choisir dimensionner et installer les canalisations
213 Composantes passives
Les composantes passives du systegraveme hydraulique sont respectivement le reacuteservoir de la pompe
qui permet le stockage de lrsquohuile et la creacutepine qui est un filtre grossier qui protegravege le fluide
contre les polluants externes
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22 Eacutelaboration des hypothegraveses
Voici toutes les hypothegraveses qui ont eacuteteacute poseacutees dans le cadre de ce projet
- La pompe fournie suffisamment de puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins
simultaneacutement
- Les pertes volumeacutetriques dans le circuit sont consideacutereacutees comme eacutetant neacutegligeables
- La pompe se deacutecharge par une valve de mise agrave vide lorsque les veacuterins sont au repos
- Le troisiegraveme distributeur installeacute par Geacuteliko Inc est inutile actuellement
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3 MISE EN ŒUVRE DU MANDAT
31 La recherche de solutions
311 Solution No 1 - Automate programmable
Un automate programmable industriel (API) est un dispositif eacutelectronique qui exerce des
fonctions de controcircle de processus industriels Sa fonction est drsquoenvoyer des commandes aux
preacuteactionneurs (ex les valves) agrave partir des donneacutees drsquoentreacutees qui proviennent des diffeacuterents
capteurs LrsquoAPI est composeacutee drsquoune uniteacute de calculs (processeur) drsquoune alimentation ACDC
et de modules qui sont choisis selon les besoins de lrsquoapplication tel que les cartes drsquoentreacutees-
sorties les modules de communication les modules de commande etc LrsquoAPI peut ecirctre relieacutee agrave
une interface homme-machine agrave un pupitre opeacuterateur agrave une interface graphique ou agrave un
ordinateur Les langages de programmation standards de lrsquoAPI sont le Grafcet et le Ladder
Figure 8 API de marque Allen-Bradley
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Tableau 1 Avantages et inconveacutenients drsquoun automate programmable
Avantages Inconveacutenients
Peu encombrant
Temps de reacuteponse rapide
Facile agrave programmer
Consommation eacutelectrique
acceptable
Configurables et extensibles par
modules
Robuste
Dispendieux pour les petites ou
simples applications
Logiciel de programmation non
gratuit
312 Solution No 2 - Microcontrocircleur
Un microcontrocircleur est comme lrsquoAPI un dispositif eacutelectronique programmable qui peut lire des
signaux drsquoentreacutees et envoyer des signaux de commande agrave des peacuteripheacuteriques externes De plus
le microcontrocircleur rassemble dans un circuit inteacutegreacute tous les eacuteleacutements essentiels agrave son bon
fonctionnement soit le processeur la meacutemoire les uniteacutes peacuteripheacuteriques et les interfaces
drsquoentreacutees-sorties Les langages de programmation des microcontrocircleurs sont varieacutes Basic C
C++ Java etc
Figure 9 Microcontrocircleur de marque Arduino
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Tableau 2 Avantages et inconveacutenients drsquoun microcontrocircleur
Avantages Inconveacutenients
Tregraves peu encombrant
Tregraves faible consommation
eacutelectrique
Logiciel de programmation
geacuteneacuteralement gratuit
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Peu drsquoentreacuteessorties
Langages de programmation plus
contraignants que le Ladder et le
Grafcet
Non extensible
Tregraves fragile
Vitesse de fonctionnement plus
faible
313 Solution No 3 - Relais
Avant lrsquoavegravenement de lrsquoautomate programmable dans le deacutebut des anneacutees 1970 les systegravemes
eacutetaient automatiseacutes agrave lrsquoaide de relais Les relais peuvent ecirctre activeacutes et deacutesactiveacutes sans
interrupteur manuel Aujourdrsquohui les relais servent agrave reacuteduire la taille des panneaux de controcircle
des machines ou agrave creacuteer des cycles drsquoautomatismes simples Mais pour les automatismes qui
requiegraverent un grand nombre drsquoentreacutees sorties on doit remplacer le systegraveme de relayage
devenant trop complexe par un automate programmable
Figure 10 Relais meacutecanique
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Tableau 3 Avantages et inconveacutenients drsquoun relais
Avantages Inconveacutenients
Pas de programmation requise
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Tregraves encombrant
Solution non ideacuteale pour creacuteer des
cycles drsquoautomatismes complexes
Technologie vieillissante
32 Eacutelaboration du baregraveme
Le baregraveme est essentiel lors de lrsquoeacutetape de la prise de deacutecision pour accorder le pointage agrave
chaque solution et pour permettre au concepteur de se fixer des prioriteacutes de conception Le
baregraveme est conccedilu en fonction des critegraveres de qualiteacutes rechercheacutees que lrsquoon associe agrave une eacutechelle
de satisfaction avec une pondeacuteration de 1 agrave 4
Tableau 4 Baregraveme
Critegraveres Objectif 1 2 3 4 Simpliciteacute La programmation
etou lrsquoinstallation de la solution doivent ecirctre faciles
Tregraves difficile Difficile Facile Tregraves facile
Compatibiliteacute Lrsquouniteacute doit ecirctre compatible avec les eacutequipements du banc drsquoessai
Pas compatible Peu compatible Compatible Tregraves compatible
Espace Lrsquoespace requis pour installer lrsquouniteacute est limiteacute
Volume imposant Volume eacuteleveacute Volume moyen Volume neacutegligeable
Fiabiliteacute Durabiliteacute
Lrsquouniteacute doit ecirctre fiable et durable
Tregraves faible Moyennement faible
Moyennement eacuteleveacute
Eacuteleveacute
Coucirct Les contraintes budgeacutetaires doivent ecirctre respecteacutees
Tregraves dispendieux Dispendieux Abordable Tregraves abordable
Efficaciteacute eacutenergeacutetique
La consommation eacutelectrique doit diminuer
Consommation eacuteleveacutee
Consommation normale
Consommation faible
Consommation tregraves faible
Seacutecuriteacute Les risques drsquoaccident de travail doivent diminuer
Tregraves risqueacute Risqueacute Peu risqueacute Aucun risque
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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33 Matrice de deacutecision Le tableau suivant preacutesente la matrice de deacutecision Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation de chacune des
solutions on a attribueacute agrave chaque critegravere une note situeacutee en 1 et 4 Les notes des critegraveres sont
multiplieacutees par leurs pondeacuterations respectives ils sont ensuite additionneacutes puis enfin diviser par
4 pour obtenir la note en pourcentage de chaque solution Selon les scores obtenus crsquoest
lrsquoautomate programmable qui est consideacutereacute comme eacutetant la meilleure uniteacute de controcircle
Tableau 5 Matrice de deacutecision
Critegraveres Pondeacuteration Solution 1 2 3
Automate programmable
Microcontrocircleur Relais
Simpliciteacute 30 4 3 1 Compatibiliteacute 20 4 2 1
Espace 5 3 4 1 FiabiliteacuteDurabiliteacute 10 4 2 1
Coucirct 15 2 4 3 Efficaciteacute
eacutenergeacutetique 5 3 4 2
Seacutecuriteacute 15 4 1 1 Reacutesultat 100 90 662 338
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34 La conception de la solution recommandeacutee
341 Eacutetude du systegraveme hydraulique existant
La preacutesente section est une eacutetude plus deacutetailleacutee portant sur les principales composantes dont est
constitueacute le banc drsquoessai actuel Lrsquoeacutetude comporte une analyse de leurs caracteacuteristiques
principales et de leurs modes de fonctionnements On y preacutesente eacutegalement les symboles
graphiques de ces composantes Cette eacutetude est une eacutetape primordiale pour pouvoir bien choisir
les nouveaux eacutequipements et concevoir le circuit hydraulique de la solution finale
3411 Ensemble pompe-moteur-reacuteservoir
Comme dans les tous systegravemes hydrauliques le banc drsquoessai dispose drsquoun ensemble pompe-
moteur-reacuteservoir La pompe transforme lrsquoeacutenergie meacutecanique fournie par le moteur eacutelectrique
rotatif en eacutenergie fluide La pompe deacutemarre degraves qursquoon branche le moteur eacutelectrique agrave la prise de
courant Vous retrouverez ci-dessous les speacutecifications de ces composantes et une photo prise
sur place de lrsquoensemble
Moteur eacutelectrique AC
Figure 11 Repreacutesentation scheacutematique du moteur eacutelectrique AC
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Tableau 6 Speacutecifications du moteur eacutelectrique
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Puissance
(HP)
Voltage
(V)
Vitesse
(RPM)
HY-SPEC MFG03 HYSW850203-1G 1 110220 1800
Pompe
Tableau 7 Speacutecifications de la pompe (supposition5)
Marque Deacutebit max
(GPM)
Pression max
(PSI)
Cylindreacutee
(cm3tr)
Inconnu 18 3200 PSI 4
Reacuteservoir
Figure 12 Repreacutesentation scheacutematique du reacuteservoir
5 Le deacutebit et la pression pouvant ecirctre fournie par la pompe sont des informations qui ont eacuteteacute fournies par
lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai mais qui ne sont pas veacuterifiables
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Tableau 8 Speacutecifications du reacuteservoir
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Volume
(L)
HY-SPEC V120 HYSW880117 12
Figure 13 Photo de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3412 Bloc Manifold (bloc foreacute)
Un bloc manifold est un bloc de meacutetal avec plusieurs canaux inteacutegreacute conccedilu pour la conduite de
fluide dans des espaces confineacutes On retrouve sur le bloc des caviteacutes dans lesquelles on peut
installer diffeacuterentes composantes hydrauliques (valves manomegravetres tuyau etc)
Tableau 9 Speacutecifications du bloc manifold
Marque Numeacutero de
seacuterie
Description Nombre
de
sections
Ports Orifice
de
seacutecuriteacute
Pression
drsquoopeacuteration
maximale
(PSI)
HY-
SPEC
HYSDD03-
P-03-2SS
Type D03
Circuit
parallegravele
3 P amp T = SAE 10
A amp B = SAE 8
GA = SAE 6
T-10A 5000
Figure 14 Photo du bloc manifold
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3413 Veacuterins
Les 2 veacuterins hydrauliques utiliseacutes dans le banc drsquoessai sont des veacuterins agrave mouvement lineacuteaire et agrave
double effet (deux directions de travail) qui convertissent lrsquoeacutenergie fluide en eacutenergie
meacutecanique Chaque veacuterin est composeacute drsquoun tube cylindrique (le cylindre) dans lequel est
inseacutereacutee une piegravece mobile (le corps du piston) qui assure lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre deux chambres La
tige rigide qui est relieacutee au corps du piston sert agrave transmettre lrsquoeffort et le deacuteplacement Les
veacuterins comportent deux orifices (alimentation et refoulement) et la pression peut ecirctre appliqueacutee
de chaque cocircteacute du piston pour entraicircner son deacuteplacement dans un sens ou dans lautre Ce sont
les distributeurs qui permettent drsquointervertir les rocircles des deux orifices pour controcircler la
direction de la tige
Par ailleurs il peut y avoir des fuites volumeacutetriques internes et externes dans les veacuterins et qui
sont indeacutesirables car elles reacuteduisent la dureacutee de vie et le rendement des veacuterins La fuite interne
est en fait un eacutecoulement de lrsquohuile de la chambre agrave haute pression vers la chambre agrave basse
pression qui est due au jeu entre le corps du piston et la paroi interne du cylindre Il peut
eacutegalement y avoir une fuite externe due au jeu entre la tige du piston et la tecircte du cylindre Pour
reacuteduire ces fuites on installe des joints drsquoeacutetancheacuteiteacutes sur le corps du piston et sur la tecircte du
cylindre
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees)
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Leacutegende
1 Cylindre 5 Chambre de refoulement
2 Piston A Orifice drsquoadmission
3 Tige R Orifice de refoulement
4 Chambre drsquoadmission
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin
La principale caracteacuteristique des veacuterins est lrsquoaire effective sur laquelle le fluide exerce une
pression Les aires effectives du corps du piston (cocircteacute fond du veacuterin et cocircteacute tecircte du veacuterin) sont
diffeacuterentes agrave cause de la preacutesence de la tige sur une seule face du corps du piston Par
conseacutequent pour des mecircmes pressions drsquoadmission la force de contraction est plus faible que
la force drsquoextension Les eacutequations ci-dessous servent agrave convertir les forces (lb) en pression
(psi) selon le sens drsquoapplication du veacuterin
Calcul pour la conversion force-pression
Diamegravetre du piston6 25 po
Diamegravetre de la tige 15 po
lowast egrave
4lowast 25po
449087
lowast egrave
4lowast 15po
417671
ocirc eacute ecirc eacute
ocirc eacute eacute
6 Bore est le terme eacutequivalent du corps du piston
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Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins
Marque Numeacutero de seacuterie Type drsquoorifices Poids
(livres)
Pression
maximale
(pouce)
HY-SPEC HYS 25FEM24-NW SAE-8 40 3000 PSI
3414 Manomegravetre
Actuellement les pressions exerceacutees dans le bloc manifold et dans chaque chambre des veacuterins
sont mesureacutees agrave lrsquoaide de manomegravetre agrave glyceacuterine
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine
Marque Numeacutero de seacuterie Localisation Diamegravetre
(pouce)
Connexion Eacutechelle du
cadran
(PSI)
HY-
SPEC
HYSG22LXB3000PSI-
14NPT
Bloc
manifold
25
frac14 NPT
0 agrave 3000
HY-
SPEC
HYSG22LXB5000PSI-
14NPT
2 par veacuterin 0 agrave 5000
G
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold
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3415 Les distributeurs
Dans le systegraveme hydraulique les distributeurs (valves de distribution) sont les composantes
actives (modulateurs) qui permettent la distribution du flux drsquoeacutenergie vers les 2 veacuterins
(reacutecepteurs) pour les libeacuterer les arrecircter ou les reacutetracter Sur les trois distributeurs installeacutes sur le
banc drsquoessai seuls 2 drsquoentre eux sont utiliseacutes Le troisiegraveme distributeur a eacuteteacute installeacute au cas ougrave
un troisiegraveme veacuterin serait neacutecessaire pour reacutealiser des tests futurs drsquoapregraves lrsquoopeacuterateur du banc
drsquoessai Il srsquoagit de distributeurs agrave tiroir (de type coulissant) agrave quatre orifices et agrave trois positions
agrave action piloteacutee agrave commande eacutelectrique par soleacutenoiumldes et agrave centrage par ressort de rappel
En alimentant lrsquoun des deux soleacutenoiumldes avec un courant eacutelectrique le tiroir du distributeur se
deacuteplace et lrsquohuile circule par des canaux internes de la valve vers lrsquoune des extreacutemiteacutes du tiroir
principal pendant que lrsquoautre extreacutemiteacute de ce tiroir est raccordeacutee au reacuteservoir du systegraveme par
lrsquoaction du distributeur pilote La pression qui srsquoexerce sur la face du tiroir principal engendre
une force qui pousse ce dernier et le maintien en position agrave voies parallegraveles ou en position agrave
voies croiseacutees En alternant entre la position agrave voies parallegraveles et la position agrave voies croiseacutees le
sens de lrsquoeacutecoulement du fluide dans le veacuterin change et donc le sens de lrsquoapplication de la force
Par ailleurs lorsque les deux soleacutenoiumldes du distributeur ne sont plus alimenteacutes par un courant
eacutelectrique le tiroir principal revient agrave sa position de repos gracircce agrave la pousseacutee du ressort de
rappel Puisqursquoil srsquoagit de distributeurs agrave centre fermeacute lrsquohuile ne peut alors plus circuler dans
les distributeurs et ecirctre achemineacutee dans les veacuterins
Figure 18 Les trois positions des distributeurs
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Leacutegende
T Orifice du reacuteservoir
P Orifice de la pompe
A amp B Admission et refoulement
1 Tiroir
2 Corps de valve
3 Ressort de rappel
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute
Figure 20 Photos des 3 distributeurs
Marque Numeacutero de seacuterie Tension
(V)
Deacutebit
max
(GPM)
Pression admissible
(PSI)
HY-
SPEC
HYSFW-02-3C2-
B110-Z5L-50
24 DC 9 4750
(Orifice A B P)
2320
(Orifice T)
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La commande des distributeurs
Actuellement lrsquoalimentation des soleacutenoiumldes en courant se fait via deux manettes de controcircle
On retrouve sur ces manettes au total 6 boutons qui permettent lrsquoactivation de chacun des
soleacutenoiumldes Le soleacutenoiumlde demeure alimenteacute tant que lrsquoopeacuterateur exerce une pression sur le
bouton Eacutevidemment ces manettes deviendront inutiles lorsque les soleacutenoiumldes seront alimenteacutes
par lrsquoautomate programmable dans la solution finale
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle
Marque Numeacutero de seacuterie Nombre de boutons
HY-SPEC
HYST90009-3P 2
HYST90012-3P 4
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle
Figure 22 Boicircte de conversion7 entre la manette et le distributeur
7 Aucune speacutecification nrsquoest disponible pour la boicircte de conversion des manettes de controcircle
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3416 Limiteurs de deacutebit
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit
Les limiteurs de deacutebit permettent de controcircler les deacutebits drsquoalimentation des veacuterins et par ce fait
les vitesses de sortie et de rentreacutee des tiges des deux veacuterins Pour y arriver ces valves reacutegulent
le deacutebit du fluide en diminuant la section de lrsquoouverture emprunteacutee par celui-ci Le deacutebit est
proportionnel agrave cette ouverture et agrave la racine carreacutee de la perte de charge Sur le banc drsquoessai on
retrouve 2 eacutetrangleurs reacuteglables agrave pointeau par veacuterin Lrsquoeacutetrangleur agrave pointeau est coupleacute dans le
mecircme corps de la valve avec un clapet de retenue avec ressort8 pour que le deacutebit ne soit limiteacute
que dans un seul sens de lrsquoeacutecoulement
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort
Marque Numeacutero de seacuterie Type
Vickers DGMFN-3-Y-A2W-B2W-41 Port double
8 Il y a ouverture du clapet si la pression drsquoentreacutee est supeacuterieure agrave la somme de la pression de sortie et de la pression du ressort
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
Vinc
342
Parm
press
systegrave
man
(man
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eacutequi
342
Le f
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
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7 DUPLOMATIC OLEADINAMICA Proportional
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
vii
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1 Avantages et inconveacutenients drsquoun automate programmable 26
Tableau 2 Avantages et inconveacutenients drsquoun microcontrocircleur 27
Tableau 3 Avantages et inconveacutenients drsquoun relais 28
Tableau 4 Baregraveme 28
Tableau 5 Matrice de deacutecision 29
Tableau 6 Speacutecifications du moteur eacutelectrique 31
Tableau 7 Speacutecifications de la pompe (supposition) 31
Tableau 8 Speacutecifications du reacuteservoir 32
Tableau 9 Speacutecifications du bloc manifold 33
Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins 36
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine 36
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute 38
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle 39
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort 40
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire 42
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
43
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec
soleacutenoiumlde 46
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie 48
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112 48
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital 49
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique 50
viii
LISTE DES FIGURES
Figure 1 Modegraveles de siegraveges fabriqueacutes par Amobi 12
Figure 2 Cellules pneumatiques gonflables dans le siegravege Tech 3001 13
Figure 3 Banc drsquoessai agrave lrsquoœuvre sur un siegravege de la compagnie Amobi chez PMG Technologies agrave
Blainville 14
Figure 4 Point drsquoapplication de la force 17
Figure 5 Point dapplication de la force 18
Figure 6 Points drsquoapplication des charges 19
Figure 7 Diagramme des principales composantes dun systegraveme hydraulique 20
Figure 8 API de marque Allen-Bradley 25
Figure 9 Microcontrocircleur de marque Arduino 26
Figure 10 Relais meacutecanique 27
Figure 11 Repreacutesentation scheacutematique du moteur eacutelectrique AC 30
Figure 12 Repreacutesentation scheacutematique du reacuteservoir 31
Figure 13 Photo de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir 32
Figure 14 Photo du bloc manifold 33
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees) 34
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin 35
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold 36
Figure 18 Les trois positions des distributeurs 37
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur 38
Figure 20 Photos des 3 distributeurs 38
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle 39
Figure 22 Boicircte de conversion entre la manette et le distributeur 39
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit 40
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit 40
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique 41
Figure 26 Photo des limiteurs de pression 42
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P 42
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold 43
ix
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute 45
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee 45
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide 46
Figure 32 Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle de type cartouche 47
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05
lmn) 48
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie 49
Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale 51
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence 55
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
56
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en
fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68) 62
x
LISTE DES ABREacuteVIATIONS
API Automate programmable industriel
PLC Programmable Logic Controller (eacutequivalent anglais de API)
CPU Central Processing Unit (eacutequivalent anglais de processeur)
ES EntreacuteeSortie
GRAFCET Graphe fonctionnel de commande drsquoeacutetape-transition
PID Proportionnel inteacutegral deacuteriveacute
GEMMA Guide drsquoeacutetude des modes de marches et arrecircts
CA Courant alternatif
CC Courant continu
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 11
INTRODUCTION
Le preacutesent document est le fruit du travail effectueacute dans le cadre du projet drsquoeacutetude en
ingeacutenierie Le projet en question est reacutealiseacute pour Amobi un manufacturier de siegraveges
pneumatiques ergonomiques haut de gamme pour camions autobus et eacutequipements industriels
Les clients drsquoAmobi deacutesirent que les siegraveges installeacutes dans leurs veacutehicules soient conformes aux
normes de seacutecuriteacute volontaire1 des CMVSS no 207 et 210 de Transport Canada Lrsquoobjectif
principal de ce projet est de concevoir une uniteacute de controcircle pour reacutesoudre les restrictions
majeures que rencontre le banc drsquoessai preacutesentement Le banc drsquoessai actuel ne permet pas de
respecter la proceacutedure des tests et il est difficile agrave opeacuterer Pour atteindre cet objectif la seacutelection
des composantes hydrauliques et eacutelectroniques la conception du circuit hydraulique de la
solution finale lrsquoeacutecriture du programme de lrsquouniteacute de controcircle et la conception drsquoune interface
homme-machine doivent ecirctre effectueacutees
1 Une norme volontaire nrsquoa pas agrave ecirctre obligatoirement respecteacutee comparativement aux lois et regraveglements dicteacutes par les gouvernements provinciaux et feacutedeacuteraux La plupart du temps lrsquoentreprise consent agrave adheacuterer agrave ces normes autoreacuteglementaires puisque cela preacutesente plus davantages que dinconveacutenients
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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1 EacuteTUDE DES BESOINS ET MANDAT
Cette section documente tous les renseignements obtenus lors de la collecte de donneacutees
11 Preacutesentation de lrsquoentreprise
Lrsquoentreprise pour laquelle le projet est reacutealiseacute est Amobi Cette compagnie fait partie du
Groupe Dion qui possegravede plusieurs divisions soit industrielles (Pro-AB Eacutequipement TNO
Dion Peinture Industrielle Amobi Acces Industriel Access Mining Services) automobiles
(Action Kia Acces Toyota Hino Nord-Ouest Location Dion Au Carrossier) et de produits
reacutecreacuteatifs (Eacutequipement TNO Marine Lamy et Amobi) Amobi est un manufacturier de siegraveges
pneumatiques ergonomiques haut de gamme pour camions autobus et eacutequipements industriels
Amobi fabrique eacutegalement des toiles protectrices multiusages pour bateaux pontons motos
tracteurs et motoneiges Dans ce travail et dans ceux qui suivront nous ne traiterons toutefois
pas davantage de ces derniers puisque notre projet relegraveve plutocirct du deacutepartement qui srsquooccupe de
la fabrication des siegraveges Amobi dessert le marcheacute canadien mais exporte aussi ces siegraveges agrave des
agents manufacturiers et des distributeurs disperseacutes dans diffeacuterentes reacutegions des Eacutetats-Unis La
figure 2 preacutesente la gamme de siegraveges fabriqueacutee par Amobi
Figure 1 Modegraveles de siegraveges fabriqueacutes par Amobi
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 13
12 Description du produit
Les siegraveges fabriqueacutes par Amobi sont constitueacutes de plusieurs ballons indeacutependants qui se
gonflent pour srsquoadapter agrave la masse et agrave la taille du conducteur Ces ballons apportent un support
dorsal et lateacuteral qui combineacute agrave la base pneumatique agrave amortisseurs permet de diminuer
lrsquoimpact des chocs et des vibrations creacuteeacutes par la route sur le corps du conducteur
Ces siegraveges sont entiegraverement reacuteglables crsquoest-agrave-dire que des manettes de controcircle permettent
lrsquoajustement de nombreux points selon les preacutefeacuterences du conducteur la position avant-arriegravere
du siegravege la profondeur et lrsquoinclinaison de lrsquoassise lrsquoinclinaison du dossier la forme de lrsquoassise
et du dossier la hauteur du siegravege et la suspension de la base du siegravege Les produits fabriqueacutes par
Amobi sont tregraves durables car ils doivent tenir aussi longtemps que le veacutehicule dans lequel ils
seront installeacutes De plus ils doivent aussi reacutesister agrave des ajustements tregraves freacutequents puisque ces
veacutehicules sont souvent conduits par un grand nombre de personnes diffeacuterentes
La majoriteacute des piegraveces composant les siegraveges sont fabriqueacutees par des sous-traitants
Lrsquoassemblage du produit final est cependant entiegraverement fait chez Amobi Crsquoest aussi lagrave que se
fait la conception lrsquoameacutelioration et le test des produits fabriqueacutes
Figure 2 Cellules pneumatiques gonflables dans le siegravege Tech 3001
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13 Description du proceacutedeacute
Les produits drsquoAmobi sont faits selon les besoins des clients et la majoriteacute de ceux-ci deacutesirent
que les siegraveges installeacutes dans leurs veacutehicules soient conformes aux normes volontaires de
Transport Canada Pour srsquoassurer de cette conformiteacute la compagnie doit tester elle-mecircme ses
siegraveges avant drsquoen produire un grand nombre lorsqursquoil srsquoagit drsquoun nouveau concept ou drsquoun
concept existant dont on a modifieacute des composantes structurales Crsquoest pourquoi Amobi srsquoest
doteacute drsquoun banc drsquoessai pour siegravege visant agrave tester la conformiteacute aux Normes de seacutecuriteacute des
veacutehicules automobiles du Canada (NSVAC ou CMVSS - Canada Motor Vehicle Safety
Standards) no 207 et 210
Les essais effectueacutes visent agrave tester la reacuteaction du siegravege et de son ancrage agrave diffeacuterentes forces
appliqueacutees sur celui-ci Le banc est donc constitueacute drsquoun cadre de meacutetal sur lequel est installeacute un
exemple drsquoancrage de siegravege fourni par la compagnie Novabus client drsquoAmobi ainsi que drsquoune
uniteacute composeacutee de deux cylindres hydrauliques pour appliquer les forces en question
Figure 3 Banc drsquoessai agrave lrsquoœuvre sur un siegravege de la compagnie Amobi chez PMG Technologies agrave Blainville
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14 Mise en contexte de la probleacutematique
Preacutesentement lrsquoentreprise a un banc drsquoessai qui est utiliseacute pour effectuer les tests normatifs
exigeacutes par les normes CMVSS 207 et 210 Lrsquouniteacute de controcircle utiliseacute jusqursquoagrave ce jour preacutesente
des restrictions majeures tel que
1 Seule une personne expeacuterimenteacutee dans le controcircle des valves soleacutenoiumldes est apte agrave
opeacuterer le banc de faccedilon acceptable Le banc drsquoessai ne dispose pas drsquoune interface
homme-machine conviviale
2 Le controcircle des forces appliqueacutees par les veacuterins hydrauliques se fait par le reacuteglage des
valves Les forces ne sont pas appliqueacutees instantaneacutement
3 Le banc drsquoessai actuel ne permet pas drsquoappliquer deux forces simultaneacutement sur le
siegravege
4 Il y a un leacuteger deacuteplacement du siegravege pendant lrsquoopeacuteration du banc drsquoessai ce qui fait en
sorte que les forces reacuteelles appliqueacutees par les cylindres ne demeurent pas constantes
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai doit continuellement surveiller plusieurs manomegravetres et
ajuster la pression dans les cylindres pour corriger les effets de cette perturbation
5 La mesure des pressions deacuteployeacutees est peacutenible agrave cause de lrsquoimpreacutecision de lrsquoeacutechelle des
cadrans des manomegravetres Il est ainsi impossible drsquoopeacuterer le banc drsquoessai agrave basse
pression
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15 Objectifs contraintes et restrictions
Lrsquoobjectif principal de ce projet est de concevoir une uniteacute de controcircle reacutesolvant les restrictions
majeures que rencontre le banc drsquoessai preacutesentement En drsquoautres mots Amobi veut disposer
drsquoun banc drsquoessai permettant drsquoeffectuer tous les tests relieacutes aux normes CMVSS 207-210 en
gagnant en flexibiliteacute et faciliteacute drsquoutilisation Drsquoautre part lrsquoune des contraintes de ce projet est
lrsquoadaptation de la solution recommandeacutee sur le banc drsquoessai existant Il y a eacutegalement une
contrainte moneacutetaire puisque lrsquoinvestissement total de lrsquoensemble de la solution ne doit pas
deacutepasser 8000 $ Le client est agrave la recherche drsquoune solution la plus abordable possible puisque
le banc drsquoessai nrsquoest utiliseacute que quelques fois par anneacutee
16 Formulation du mandat
Les tacircches du mandat de ce projet sont les suivantes
1 Analyser lrsquouniteacute actuelle
2 Concevoir une uniteacute de controcircle incluant
La seacutelection des composantes hydrauliques et eacutelectroniques
Le plan du circuit hydraulique de la solution finale
Le programme de lrsquouniteacute de controcircle
3 Concevoir une interface homme-machine conviviale
4 Reacutediger un mode drsquoemploi pour lrsquoutilisation du banc drsquoessai
5 Eacutevaluer le budget neacutecessaire pour fabriquer la nouvelle uniteacute
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17 Normes applicables
La compagnie SRD Bolduc Inc a preacutepareacute en 2005 pour Amobi un document deacutecrivant les
proceacutedures agrave suivre les informations agrave rapporter et le format des rapports drsquoessais requis pour
deacutemontrer la conformiteacute de siegraveges de veacutehicules aux normes de seacutecuriteacute des veacutehicules
automobiles du Canada NSVACCMVSS no 207 (ancrage des siegraveges) et 210 (ancrage de
ceinture de seacutecuriteacute) Vous retrouvez ci-dessous la description des trois tests normatifs qui
doivent ecirctre effectueacutes sur les siegraveges que lrsquoon deacutesire tester
Test No 1ndash Application de la force produisant un couple [NSVAC 207 1(b)ii(A)]
Figure 4 Point drsquoapplication de la force
Eacutetape 1
Appliquer une charge (en livres) eacutegale agrave 3300 diviseacutee par la distance laquo D raquo La distance laquo D raquo
eacutetant la distance en pouces entre le point de reacutefeacuterence assise2 et la piegravece transversale la plus
eacuteleveacutee du dossier ou de la partie supeacuterieure du dossier La charge doit ecirctre appliqueacutee sur la
partie transversale la plus eacuteleveacutee du dossier et vers lrsquoarriegravere agrave un angle de 0 degreacute
Eacutetape 2
Relacirccher la charge
2 La meacutethode pour deacuteterminer le point de reacutefeacuterence assise est expliqueacutee en annexe
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Test No 2ndash Application de la charge vers lrsquoarriegravere [NSVAC 207 1(a)i(B)]
Figure 5 Point dapplication de la force
Eacutetape 1
Appliquer une charge (en livres) eacutegale agrave 20 fois le poids du siegravege sur un intervalle de temps de
29 secondes La charge doit ecirctre appliqueacutee au centre de graviteacute du siegravege et vers lrsquoarriegravere agrave un
angle de 0 degreacute
Eacutetape 2
Maintenir la charge pendant au moins 10 secondes
Eacutetape 3
Relacirccher la charge
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Test No 3ndash Application simultaneacutee des forces [NSVAC 207 1(a)ii]
Figure 6 Points drsquoapplication des charges
Eacutetape 1
Appliquer 2 charges simultaneacutement sur un intervalle de temps de 29 secondes
- La premiegravere charge (en livres) est eacutegale agrave 20 fois le poids du siegravege et est appliqueacutee au
centre de graviteacute du siegravege vers lrsquoavant agrave un angle de 0 degreacute
- La valeur de la seconde charge deacutepend du type de ceinture installeacutee sur le siegravege Srsquoil
srsquoagit drsquoune ceinture de type I3 la charge agrave appliquer est de 5000 livres Si la ceinture
est de type II4 la charge agrave appliquer est de 3000 livres Cette charge doit ecirctre appliqueacutee
par le biais drsquoune forme de corps retenue par la ceinture de seacutecuriteacute du veacutehicule agrave un
angle compris entre 5 et 10 degreacutes de lrsquohorizontale
Eacutetape 2
Maintenir les charges pendant au moins 10 secondes
Eacutetape 3
Relacirccher les charges
3 Ceinture de seacutecuriteacute agrave 2 points drsquoancrage ougrave une seule sangle est raccordeacutee de chaque cocircteacute du bassin 4 Ceinture de seacutecuriteacute agrave 3 points drsquoancrage ougrave la sangle agrave deux points remonte en travers la poitrine du passager
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2 CADRE THEacuteORIQUE ET EacuteLABORATION DES HYPOTHEgraveSES
21 Cadre theacuteorique
Tout systegraveme agrave fluide sous pression comme celui du banc drsquoessai est toujours composeacute de trois
types de composantes soit
‐ Les composantes actives qui convertissent et modulent lrsquoeacutenergie
‐ Les composantes de liaison qui acheminent lrsquoeacutenergie drsquoune composante active agrave une
autre du moteur agrave la charge
‐ Les composantes passives qui exercent des fonctions secondaires mais qui sont
essentielles pour assurer le bon fonctionnement du systegraveme
Figure 7 Diagramme des principales composantes dun systegraveme hydraulique
211 Composantes actives
2111 Geacuteneacuterateurs
Sur le banc drsquoessai crsquoest la pompe (geacuteneacuterateur pour les liquides) qui produit lrsquoeacutenergie fluide
(volume de fluide sous pression) La puissance fluide est le taux de variation de cette eacutenergie
fluide et est obtenue en multipliant le deacutebit Q et la pression p du fluide
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La pompe se caracteacuterise par sa cylindreacutee D qui deacutepend du volume de fluide refouleacute par uniteacute
de deacuteplacement angulaire de lrsquoarbre (tour ou radian) Les variables de sortie Q et P peuvent ecirctre
exprimeacutees en fonction des variables drsquoentreacutee ωi et Ti selon les eacutequations suivantes
Q ω D
ougrave Q = deacutebit (m3s)
ωi = vitesse angulaire (rads)
D = cylindreacutee (m3rad)
p = pression (Pa)
Ti = couple (Nm)
En consideacuterant la pompe comme un geacuteneacuterateur ideacuteal permettant de transformer lrsquoeacutenergie fluide
sans aucune perte on peut affirmer que la puissance fluide P au refoulement est eacutegale agrave la
puissance meacutecanique drsquoentreacutee Pi soit
ougrave
ougrave Pi est exprimeacute en watts
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2112 Modulateurs
Les modulateurs dans le systegraveme hydraulique sont les valves de direction (distributeurs) les
valves de pression et les valves de deacutebit Sur le banc drsquoessai les valves de direction
(distributeurs) permettent de diriger le fluide drsquoun cocircteacute ou de lrsquoautre dans les veacuterins
(reacutecepteurs) pour qursquoils puissent travailler dans la direction voulue
Les valves de pression et les valves de deacutebit servent respectivement agrave controcircler la pression et le
deacutebit du fluide qui est livreacute aux reacutecepteurs (veacuterins) Lorsque lrsquohuile hydraulique traverse une
valve de pression le fluide est soumis agrave une reacuteduction de pression (de p agrave prsquo) et lorsque cette
huile traverse une valve de deacutebit elle subit une limitation de deacutebit (de Q agrave Qrsquo)
2113 Reacutecepteurs
Les reacutecepteurs dans le systegraveme hydraulique sont agrave mouvement lineacuteaire Les veacuterins sont des
reacutecepteurs qui absorbent lrsquoeacutenergie fluide et la transforment pour produire un travail meacutecanique
en translation Le veacuterin reccediloit le fluide sous pression et en extrait lrsquoeacutenergie avant de le renvoyer
vers le reacuteservoir Le veacuterin est caracteacuteriseacute par une aire A Ainsi on peut exprimer les deux
variables de sortie vo et Fo en fonction des deux variables drsquoentreacutee prsquo et Qrsquo selon les eacutequations
suivantes
prime
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Dans le cas drsquoun veacuterin ideacuteal on peut eacutecrire
Soit
Ougrave vo = vitesse (ms)
A = aire effective (m2)
Fo = force (N)
212 Composantes de liaison
Dans le systegraveme hydraulique les composantes de liaison sont le fluide lui-mecircme et les diverses
canalisations Lrsquohuile hydraulique (fluide) sert agrave transporter lrsquoeacutenergie fluide mais aussi agrave
lubrifier les piegraveces mobiles des veacuterins Cette huile circule dans les canalisations drsquoune
composante agrave une autre Pour eacuteviter drsquoinfluencer lrsquoefficaciteacute et la fiabiliteacute du systegraveme
hydraulique on doit bien choisir dimensionner et installer les canalisations
213 Composantes passives
Les composantes passives du systegraveme hydraulique sont respectivement le reacuteservoir de la pompe
qui permet le stockage de lrsquohuile et la creacutepine qui est un filtre grossier qui protegravege le fluide
contre les polluants externes
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22 Eacutelaboration des hypothegraveses
Voici toutes les hypothegraveses qui ont eacuteteacute poseacutees dans le cadre de ce projet
- La pompe fournie suffisamment de puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins
simultaneacutement
- Les pertes volumeacutetriques dans le circuit sont consideacutereacutees comme eacutetant neacutegligeables
- La pompe se deacutecharge par une valve de mise agrave vide lorsque les veacuterins sont au repos
- Le troisiegraveme distributeur installeacute par Geacuteliko Inc est inutile actuellement
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3 MISE EN ŒUVRE DU MANDAT
31 La recherche de solutions
311 Solution No 1 - Automate programmable
Un automate programmable industriel (API) est un dispositif eacutelectronique qui exerce des
fonctions de controcircle de processus industriels Sa fonction est drsquoenvoyer des commandes aux
preacuteactionneurs (ex les valves) agrave partir des donneacutees drsquoentreacutees qui proviennent des diffeacuterents
capteurs LrsquoAPI est composeacutee drsquoune uniteacute de calculs (processeur) drsquoune alimentation ACDC
et de modules qui sont choisis selon les besoins de lrsquoapplication tel que les cartes drsquoentreacutees-
sorties les modules de communication les modules de commande etc LrsquoAPI peut ecirctre relieacutee agrave
une interface homme-machine agrave un pupitre opeacuterateur agrave une interface graphique ou agrave un
ordinateur Les langages de programmation standards de lrsquoAPI sont le Grafcet et le Ladder
Figure 8 API de marque Allen-Bradley
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Tableau 1 Avantages et inconveacutenients drsquoun automate programmable
Avantages Inconveacutenients
Peu encombrant
Temps de reacuteponse rapide
Facile agrave programmer
Consommation eacutelectrique
acceptable
Configurables et extensibles par
modules
Robuste
Dispendieux pour les petites ou
simples applications
Logiciel de programmation non
gratuit
312 Solution No 2 - Microcontrocircleur
Un microcontrocircleur est comme lrsquoAPI un dispositif eacutelectronique programmable qui peut lire des
signaux drsquoentreacutees et envoyer des signaux de commande agrave des peacuteripheacuteriques externes De plus
le microcontrocircleur rassemble dans un circuit inteacutegreacute tous les eacuteleacutements essentiels agrave son bon
fonctionnement soit le processeur la meacutemoire les uniteacutes peacuteripheacuteriques et les interfaces
drsquoentreacutees-sorties Les langages de programmation des microcontrocircleurs sont varieacutes Basic C
C++ Java etc
Figure 9 Microcontrocircleur de marque Arduino
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Tableau 2 Avantages et inconveacutenients drsquoun microcontrocircleur
Avantages Inconveacutenients
Tregraves peu encombrant
Tregraves faible consommation
eacutelectrique
Logiciel de programmation
geacuteneacuteralement gratuit
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Peu drsquoentreacuteessorties
Langages de programmation plus
contraignants que le Ladder et le
Grafcet
Non extensible
Tregraves fragile
Vitesse de fonctionnement plus
faible
313 Solution No 3 - Relais
Avant lrsquoavegravenement de lrsquoautomate programmable dans le deacutebut des anneacutees 1970 les systegravemes
eacutetaient automatiseacutes agrave lrsquoaide de relais Les relais peuvent ecirctre activeacutes et deacutesactiveacutes sans
interrupteur manuel Aujourdrsquohui les relais servent agrave reacuteduire la taille des panneaux de controcircle
des machines ou agrave creacuteer des cycles drsquoautomatismes simples Mais pour les automatismes qui
requiegraverent un grand nombre drsquoentreacutees sorties on doit remplacer le systegraveme de relayage
devenant trop complexe par un automate programmable
Figure 10 Relais meacutecanique
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Tableau 3 Avantages et inconveacutenients drsquoun relais
Avantages Inconveacutenients
Pas de programmation requise
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Tregraves encombrant
Solution non ideacuteale pour creacuteer des
cycles drsquoautomatismes complexes
Technologie vieillissante
32 Eacutelaboration du baregraveme
Le baregraveme est essentiel lors de lrsquoeacutetape de la prise de deacutecision pour accorder le pointage agrave
chaque solution et pour permettre au concepteur de se fixer des prioriteacutes de conception Le
baregraveme est conccedilu en fonction des critegraveres de qualiteacutes rechercheacutees que lrsquoon associe agrave une eacutechelle
de satisfaction avec une pondeacuteration de 1 agrave 4
Tableau 4 Baregraveme
Critegraveres Objectif 1 2 3 4 Simpliciteacute La programmation
etou lrsquoinstallation de la solution doivent ecirctre faciles
Tregraves difficile Difficile Facile Tregraves facile
Compatibiliteacute Lrsquouniteacute doit ecirctre compatible avec les eacutequipements du banc drsquoessai
Pas compatible Peu compatible Compatible Tregraves compatible
Espace Lrsquoespace requis pour installer lrsquouniteacute est limiteacute
Volume imposant Volume eacuteleveacute Volume moyen Volume neacutegligeable
Fiabiliteacute Durabiliteacute
Lrsquouniteacute doit ecirctre fiable et durable
Tregraves faible Moyennement faible
Moyennement eacuteleveacute
Eacuteleveacute
Coucirct Les contraintes budgeacutetaires doivent ecirctre respecteacutees
Tregraves dispendieux Dispendieux Abordable Tregraves abordable
Efficaciteacute eacutenergeacutetique
La consommation eacutelectrique doit diminuer
Consommation eacuteleveacutee
Consommation normale
Consommation faible
Consommation tregraves faible
Seacutecuriteacute Les risques drsquoaccident de travail doivent diminuer
Tregraves risqueacute Risqueacute Peu risqueacute Aucun risque
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33 Matrice de deacutecision Le tableau suivant preacutesente la matrice de deacutecision Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation de chacune des
solutions on a attribueacute agrave chaque critegravere une note situeacutee en 1 et 4 Les notes des critegraveres sont
multiplieacutees par leurs pondeacuterations respectives ils sont ensuite additionneacutes puis enfin diviser par
4 pour obtenir la note en pourcentage de chaque solution Selon les scores obtenus crsquoest
lrsquoautomate programmable qui est consideacutereacute comme eacutetant la meilleure uniteacute de controcircle
Tableau 5 Matrice de deacutecision
Critegraveres Pondeacuteration Solution 1 2 3
Automate programmable
Microcontrocircleur Relais
Simpliciteacute 30 4 3 1 Compatibiliteacute 20 4 2 1
Espace 5 3 4 1 FiabiliteacuteDurabiliteacute 10 4 2 1
Coucirct 15 2 4 3 Efficaciteacute
eacutenergeacutetique 5 3 4 2
Seacutecuriteacute 15 4 1 1 Reacutesultat 100 90 662 338
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34 La conception de la solution recommandeacutee
341 Eacutetude du systegraveme hydraulique existant
La preacutesente section est une eacutetude plus deacutetailleacutee portant sur les principales composantes dont est
constitueacute le banc drsquoessai actuel Lrsquoeacutetude comporte une analyse de leurs caracteacuteristiques
principales et de leurs modes de fonctionnements On y preacutesente eacutegalement les symboles
graphiques de ces composantes Cette eacutetude est une eacutetape primordiale pour pouvoir bien choisir
les nouveaux eacutequipements et concevoir le circuit hydraulique de la solution finale
3411 Ensemble pompe-moteur-reacuteservoir
Comme dans les tous systegravemes hydrauliques le banc drsquoessai dispose drsquoun ensemble pompe-
moteur-reacuteservoir La pompe transforme lrsquoeacutenergie meacutecanique fournie par le moteur eacutelectrique
rotatif en eacutenergie fluide La pompe deacutemarre degraves qursquoon branche le moteur eacutelectrique agrave la prise de
courant Vous retrouverez ci-dessous les speacutecifications de ces composantes et une photo prise
sur place de lrsquoensemble
Moteur eacutelectrique AC
Figure 11 Repreacutesentation scheacutematique du moteur eacutelectrique AC
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Tableau 6 Speacutecifications du moteur eacutelectrique
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Puissance
(HP)
Voltage
(V)
Vitesse
(RPM)
HY-SPEC MFG03 HYSW850203-1G 1 110220 1800
Pompe
Tableau 7 Speacutecifications de la pompe (supposition5)
Marque Deacutebit max
(GPM)
Pression max
(PSI)
Cylindreacutee
(cm3tr)
Inconnu 18 3200 PSI 4
Reacuteservoir
Figure 12 Repreacutesentation scheacutematique du reacuteservoir
5 Le deacutebit et la pression pouvant ecirctre fournie par la pompe sont des informations qui ont eacuteteacute fournies par
lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai mais qui ne sont pas veacuterifiables
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Tableau 8 Speacutecifications du reacuteservoir
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Volume
(L)
HY-SPEC V120 HYSW880117 12
Figure 13 Photo de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir
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3412 Bloc Manifold (bloc foreacute)
Un bloc manifold est un bloc de meacutetal avec plusieurs canaux inteacutegreacute conccedilu pour la conduite de
fluide dans des espaces confineacutes On retrouve sur le bloc des caviteacutes dans lesquelles on peut
installer diffeacuterentes composantes hydrauliques (valves manomegravetres tuyau etc)
Tableau 9 Speacutecifications du bloc manifold
Marque Numeacutero de
seacuterie
Description Nombre
de
sections
Ports Orifice
de
seacutecuriteacute
Pression
drsquoopeacuteration
maximale
(PSI)
HY-
SPEC
HYSDD03-
P-03-2SS
Type D03
Circuit
parallegravele
3 P amp T = SAE 10
A amp B = SAE 8
GA = SAE 6
T-10A 5000
Figure 14 Photo du bloc manifold
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3413 Veacuterins
Les 2 veacuterins hydrauliques utiliseacutes dans le banc drsquoessai sont des veacuterins agrave mouvement lineacuteaire et agrave
double effet (deux directions de travail) qui convertissent lrsquoeacutenergie fluide en eacutenergie
meacutecanique Chaque veacuterin est composeacute drsquoun tube cylindrique (le cylindre) dans lequel est
inseacutereacutee une piegravece mobile (le corps du piston) qui assure lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre deux chambres La
tige rigide qui est relieacutee au corps du piston sert agrave transmettre lrsquoeffort et le deacuteplacement Les
veacuterins comportent deux orifices (alimentation et refoulement) et la pression peut ecirctre appliqueacutee
de chaque cocircteacute du piston pour entraicircner son deacuteplacement dans un sens ou dans lautre Ce sont
les distributeurs qui permettent drsquointervertir les rocircles des deux orifices pour controcircler la
direction de la tige
Par ailleurs il peut y avoir des fuites volumeacutetriques internes et externes dans les veacuterins et qui
sont indeacutesirables car elles reacuteduisent la dureacutee de vie et le rendement des veacuterins La fuite interne
est en fait un eacutecoulement de lrsquohuile de la chambre agrave haute pression vers la chambre agrave basse
pression qui est due au jeu entre le corps du piston et la paroi interne du cylindre Il peut
eacutegalement y avoir une fuite externe due au jeu entre la tige du piston et la tecircte du cylindre Pour
reacuteduire ces fuites on installe des joints drsquoeacutetancheacuteiteacutes sur le corps du piston et sur la tecircte du
cylindre
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees)
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Leacutegende
1 Cylindre 5 Chambre de refoulement
2 Piston A Orifice drsquoadmission
3 Tige R Orifice de refoulement
4 Chambre drsquoadmission
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin
La principale caracteacuteristique des veacuterins est lrsquoaire effective sur laquelle le fluide exerce une
pression Les aires effectives du corps du piston (cocircteacute fond du veacuterin et cocircteacute tecircte du veacuterin) sont
diffeacuterentes agrave cause de la preacutesence de la tige sur une seule face du corps du piston Par
conseacutequent pour des mecircmes pressions drsquoadmission la force de contraction est plus faible que
la force drsquoextension Les eacutequations ci-dessous servent agrave convertir les forces (lb) en pression
(psi) selon le sens drsquoapplication du veacuterin
Calcul pour la conversion force-pression
Diamegravetre du piston6 25 po
Diamegravetre de la tige 15 po
lowast egrave
4lowast 25po
449087
lowast egrave
4lowast 15po
417671
ocirc eacute ecirc eacute
ocirc eacute eacute
6 Bore est le terme eacutequivalent du corps du piston
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins
Marque Numeacutero de seacuterie Type drsquoorifices Poids
(livres)
Pression
maximale
(pouce)
HY-SPEC HYS 25FEM24-NW SAE-8 40 3000 PSI
3414 Manomegravetre
Actuellement les pressions exerceacutees dans le bloc manifold et dans chaque chambre des veacuterins
sont mesureacutees agrave lrsquoaide de manomegravetre agrave glyceacuterine
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine
Marque Numeacutero de seacuterie Localisation Diamegravetre
(pouce)
Connexion Eacutechelle du
cadran
(PSI)
HY-
SPEC
HYSG22LXB3000PSI-
14NPT
Bloc
manifold
25
frac14 NPT
0 agrave 3000
HY-
SPEC
HYSG22LXB5000PSI-
14NPT
2 par veacuterin 0 agrave 5000
G
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 37
3415 Les distributeurs
Dans le systegraveme hydraulique les distributeurs (valves de distribution) sont les composantes
actives (modulateurs) qui permettent la distribution du flux drsquoeacutenergie vers les 2 veacuterins
(reacutecepteurs) pour les libeacuterer les arrecircter ou les reacutetracter Sur les trois distributeurs installeacutes sur le
banc drsquoessai seuls 2 drsquoentre eux sont utiliseacutes Le troisiegraveme distributeur a eacuteteacute installeacute au cas ougrave
un troisiegraveme veacuterin serait neacutecessaire pour reacutealiser des tests futurs drsquoapregraves lrsquoopeacuterateur du banc
drsquoessai Il srsquoagit de distributeurs agrave tiroir (de type coulissant) agrave quatre orifices et agrave trois positions
agrave action piloteacutee agrave commande eacutelectrique par soleacutenoiumldes et agrave centrage par ressort de rappel
En alimentant lrsquoun des deux soleacutenoiumldes avec un courant eacutelectrique le tiroir du distributeur se
deacuteplace et lrsquohuile circule par des canaux internes de la valve vers lrsquoune des extreacutemiteacutes du tiroir
principal pendant que lrsquoautre extreacutemiteacute de ce tiroir est raccordeacutee au reacuteservoir du systegraveme par
lrsquoaction du distributeur pilote La pression qui srsquoexerce sur la face du tiroir principal engendre
une force qui pousse ce dernier et le maintien en position agrave voies parallegraveles ou en position agrave
voies croiseacutees En alternant entre la position agrave voies parallegraveles et la position agrave voies croiseacutees le
sens de lrsquoeacutecoulement du fluide dans le veacuterin change et donc le sens de lrsquoapplication de la force
Par ailleurs lorsque les deux soleacutenoiumldes du distributeur ne sont plus alimenteacutes par un courant
eacutelectrique le tiroir principal revient agrave sa position de repos gracircce agrave la pousseacutee du ressort de
rappel Puisqursquoil srsquoagit de distributeurs agrave centre fermeacute lrsquohuile ne peut alors plus circuler dans
les distributeurs et ecirctre achemineacutee dans les veacuterins
Figure 18 Les trois positions des distributeurs
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Leacutegende
T Orifice du reacuteservoir
P Orifice de la pompe
A amp B Admission et refoulement
1 Tiroir
2 Corps de valve
3 Ressort de rappel
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute
Figure 20 Photos des 3 distributeurs
Marque Numeacutero de seacuterie Tension
(V)
Deacutebit
max
(GPM)
Pression admissible
(PSI)
HY-
SPEC
HYSFW-02-3C2-
B110-Z5L-50
24 DC 9 4750
(Orifice A B P)
2320
(Orifice T)
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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La commande des distributeurs
Actuellement lrsquoalimentation des soleacutenoiumldes en courant se fait via deux manettes de controcircle
On retrouve sur ces manettes au total 6 boutons qui permettent lrsquoactivation de chacun des
soleacutenoiumldes Le soleacutenoiumlde demeure alimenteacute tant que lrsquoopeacuterateur exerce une pression sur le
bouton Eacutevidemment ces manettes deviendront inutiles lorsque les soleacutenoiumldes seront alimenteacutes
par lrsquoautomate programmable dans la solution finale
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle
Marque Numeacutero de seacuterie Nombre de boutons
HY-SPEC
HYST90009-3P 2
HYST90012-3P 4
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle
Figure 22 Boicircte de conversion7 entre la manette et le distributeur
7 Aucune speacutecification nrsquoest disponible pour la boicircte de conversion des manettes de controcircle
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3416 Limiteurs de deacutebit
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit
Les limiteurs de deacutebit permettent de controcircler les deacutebits drsquoalimentation des veacuterins et par ce fait
les vitesses de sortie et de rentreacutee des tiges des deux veacuterins Pour y arriver ces valves reacutegulent
le deacutebit du fluide en diminuant la section de lrsquoouverture emprunteacutee par celui-ci Le deacutebit est
proportionnel agrave cette ouverture et agrave la racine carreacutee de la perte de charge Sur le banc drsquoessai on
retrouve 2 eacutetrangleurs reacuteglables agrave pointeau par veacuterin Lrsquoeacutetrangleur agrave pointeau est coupleacute dans le
mecircme corps de la valve avec un clapet de retenue avec ressort8 pour que le deacutebit ne soit limiteacute
que dans un seul sens de lrsquoeacutecoulement
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort
Marque Numeacutero de seacuterie Type
Vickers DGMFN-3-Y-A2W-B2W-41 Port double
8 Il y a ouverture du clapet si la pression drsquoentreacutee est supeacuterieure agrave la somme de la pression de sortie et de la pression du ressort
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
Vinc
342
Parm
press
systegrave
man
(man
digit
drsquoen
eacutequi
342
Le f
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12 Le860 mpress
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2 Choix des
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Figur
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200 mA agrave miteurs de
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
viii
LISTE DES FIGURES
Figure 1 Modegraveles de siegraveges fabriqueacutes par Amobi 12
Figure 2 Cellules pneumatiques gonflables dans le siegravege Tech 3001 13
Figure 3 Banc drsquoessai agrave lrsquoœuvre sur un siegravege de la compagnie Amobi chez PMG Technologies agrave
Blainville 14
Figure 4 Point drsquoapplication de la force 17
Figure 5 Point dapplication de la force 18
Figure 6 Points drsquoapplication des charges 19
Figure 7 Diagramme des principales composantes dun systegraveme hydraulique 20
Figure 8 API de marque Allen-Bradley 25
Figure 9 Microcontrocircleur de marque Arduino 26
Figure 10 Relais meacutecanique 27
Figure 11 Repreacutesentation scheacutematique du moteur eacutelectrique AC 30
Figure 12 Repreacutesentation scheacutematique du reacuteservoir 31
Figure 13 Photo de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir 32
Figure 14 Photo du bloc manifold 33
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees) 34
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin 35
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold 36
Figure 18 Les trois positions des distributeurs 37
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur 38
Figure 20 Photos des 3 distributeurs 38
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle 39
Figure 22 Boicircte de conversion entre la manette et le distributeur 39
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit 40
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit 40
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique 41
Figure 26 Photo des limiteurs de pression 42
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P 42
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold 43
ix
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute 45
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee 45
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide 46
Figure 32 Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle de type cartouche 47
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05
lmn) 48
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie 49
Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale 51
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence 55
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
56
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en
fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68) 62
x
LISTE DES ABREacuteVIATIONS
API Automate programmable industriel
PLC Programmable Logic Controller (eacutequivalent anglais de API)
CPU Central Processing Unit (eacutequivalent anglais de processeur)
ES EntreacuteeSortie
GRAFCET Graphe fonctionnel de commande drsquoeacutetape-transition
PID Proportionnel inteacutegral deacuteriveacute
GEMMA Guide drsquoeacutetude des modes de marches et arrecircts
CA Courant alternatif
CC Courant continu
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INTRODUCTION
Le preacutesent document est le fruit du travail effectueacute dans le cadre du projet drsquoeacutetude en
ingeacutenierie Le projet en question est reacutealiseacute pour Amobi un manufacturier de siegraveges
pneumatiques ergonomiques haut de gamme pour camions autobus et eacutequipements industriels
Les clients drsquoAmobi deacutesirent que les siegraveges installeacutes dans leurs veacutehicules soient conformes aux
normes de seacutecuriteacute volontaire1 des CMVSS no 207 et 210 de Transport Canada Lrsquoobjectif
principal de ce projet est de concevoir une uniteacute de controcircle pour reacutesoudre les restrictions
majeures que rencontre le banc drsquoessai preacutesentement Le banc drsquoessai actuel ne permet pas de
respecter la proceacutedure des tests et il est difficile agrave opeacuterer Pour atteindre cet objectif la seacutelection
des composantes hydrauliques et eacutelectroniques la conception du circuit hydraulique de la
solution finale lrsquoeacutecriture du programme de lrsquouniteacute de controcircle et la conception drsquoune interface
homme-machine doivent ecirctre effectueacutees
1 Une norme volontaire nrsquoa pas agrave ecirctre obligatoirement respecteacutee comparativement aux lois et regraveglements dicteacutes par les gouvernements provinciaux et feacutedeacuteraux La plupart du temps lrsquoentreprise consent agrave adheacuterer agrave ces normes autoreacuteglementaires puisque cela preacutesente plus davantages que dinconveacutenients
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1 EacuteTUDE DES BESOINS ET MANDAT
Cette section documente tous les renseignements obtenus lors de la collecte de donneacutees
11 Preacutesentation de lrsquoentreprise
Lrsquoentreprise pour laquelle le projet est reacutealiseacute est Amobi Cette compagnie fait partie du
Groupe Dion qui possegravede plusieurs divisions soit industrielles (Pro-AB Eacutequipement TNO
Dion Peinture Industrielle Amobi Acces Industriel Access Mining Services) automobiles
(Action Kia Acces Toyota Hino Nord-Ouest Location Dion Au Carrossier) et de produits
reacutecreacuteatifs (Eacutequipement TNO Marine Lamy et Amobi) Amobi est un manufacturier de siegraveges
pneumatiques ergonomiques haut de gamme pour camions autobus et eacutequipements industriels
Amobi fabrique eacutegalement des toiles protectrices multiusages pour bateaux pontons motos
tracteurs et motoneiges Dans ce travail et dans ceux qui suivront nous ne traiterons toutefois
pas davantage de ces derniers puisque notre projet relegraveve plutocirct du deacutepartement qui srsquooccupe de
la fabrication des siegraveges Amobi dessert le marcheacute canadien mais exporte aussi ces siegraveges agrave des
agents manufacturiers et des distributeurs disperseacutes dans diffeacuterentes reacutegions des Eacutetats-Unis La
figure 2 preacutesente la gamme de siegraveges fabriqueacutee par Amobi
Figure 1 Modegraveles de siegraveges fabriqueacutes par Amobi
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12 Description du produit
Les siegraveges fabriqueacutes par Amobi sont constitueacutes de plusieurs ballons indeacutependants qui se
gonflent pour srsquoadapter agrave la masse et agrave la taille du conducteur Ces ballons apportent un support
dorsal et lateacuteral qui combineacute agrave la base pneumatique agrave amortisseurs permet de diminuer
lrsquoimpact des chocs et des vibrations creacuteeacutes par la route sur le corps du conducteur
Ces siegraveges sont entiegraverement reacuteglables crsquoest-agrave-dire que des manettes de controcircle permettent
lrsquoajustement de nombreux points selon les preacutefeacuterences du conducteur la position avant-arriegravere
du siegravege la profondeur et lrsquoinclinaison de lrsquoassise lrsquoinclinaison du dossier la forme de lrsquoassise
et du dossier la hauteur du siegravege et la suspension de la base du siegravege Les produits fabriqueacutes par
Amobi sont tregraves durables car ils doivent tenir aussi longtemps que le veacutehicule dans lequel ils
seront installeacutes De plus ils doivent aussi reacutesister agrave des ajustements tregraves freacutequents puisque ces
veacutehicules sont souvent conduits par un grand nombre de personnes diffeacuterentes
La majoriteacute des piegraveces composant les siegraveges sont fabriqueacutees par des sous-traitants
Lrsquoassemblage du produit final est cependant entiegraverement fait chez Amobi Crsquoest aussi lagrave que se
fait la conception lrsquoameacutelioration et le test des produits fabriqueacutes
Figure 2 Cellules pneumatiques gonflables dans le siegravege Tech 3001
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13 Description du proceacutedeacute
Les produits drsquoAmobi sont faits selon les besoins des clients et la majoriteacute de ceux-ci deacutesirent
que les siegraveges installeacutes dans leurs veacutehicules soient conformes aux normes volontaires de
Transport Canada Pour srsquoassurer de cette conformiteacute la compagnie doit tester elle-mecircme ses
siegraveges avant drsquoen produire un grand nombre lorsqursquoil srsquoagit drsquoun nouveau concept ou drsquoun
concept existant dont on a modifieacute des composantes structurales Crsquoest pourquoi Amobi srsquoest
doteacute drsquoun banc drsquoessai pour siegravege visant agrave tester la conformiteacute aux Normes de seacutecuriteacute des
veacutehicules automobiles du Canada (NSVAC ou CMVSS - Canada Motor Vehicle Safety
Standards) no 207 et 210
Les essais effectueacutes visent agrave tester la reacuteaction du siegravege et de son ancrage agrave diffeacuterentes forces
appliqueacutees sur celui-ci Le banc est donc constitueacute drsquoun cadre de meacutetal sur lequel est installeacute un
exemple drsquoancrage de siegravege fourni par la compagnie Novabus client drsquoAmobi ainsi que drsquoune
uniteacute composeacutee de deux cylindres hydrauliques pour appliquer les forces en question
Figure 3 Banc drsquoessai agrave lrsquoœuvre sur un siegravege de la compagnie Amobi chez PMG Technologies agrave Blainville
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14 Mise en contexte de la probleacutematique
Preacutesentement lrsquoentreprise a un banc drsquoessai qui est utiliseacute pour effectuer les tests normatifs
exigeacutes par les normes CMVSS 207 et 210 Lrsquouniteacute de controcircle utiliseacute jusqursquoagrave ce jour preacutesente
des restrictions majeures tel que
1 Seule une personne expeacuterimenteacutee dans le controcircle des valves soleacutenoiumldes est apte agrave
opeacuterer le banc de faccedilon acceptable Le banc drsquoessai ne dispose pas drsquoune interface
homme-machine conviviale
2 Le controcircle des forces appliqueacutees par les veacuterins hydrauliques se fait par le reacuteglage des
valves Les forces ne sont pas appliqueacutees instantaneacutement
3 Le banc drsquoessai actuel ne permet pas drsquoappliquer deux forces simultaneacutement sur le
siegravege
4 Il y a un leacuteger deacuteplacement du siegravege pendant lrsquoopeacuteration du banc drsquoessai ce qui fait en
sorte que les forces reacuteelles appliqueacutees par les cylindres ne demeurent pas constantes
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai doit continuellement surveiller plusieurs manomegravetres et
ajuster la pression dans les cylindres pour corriger les effets de cette perturbation
5 La mesure des pressions deacuteployeacutees est peacutenible agrave cause de lrsquoimpreacutecision de lrsquoeacutechelle des
cadrans des manomegravetres Il est ainsi impossible drsquoopeacuterer le banc drsquoessai agrave basse
pression
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15 Objectifs contraintes et restrictions
Lrsquoobjectif principal de ce projet est de concevoir une uniteacute de controcircle reacutesolvant les restrictions
majeures que rencontre le banc drsquoessai preacutesentement En drsquoautres mots Amobi veut disposer
drsquoun banc drsquoessai permettant drsquoeffectuer tous les tests relieacutes aux normes CMVSS 207-210 en
gagnant en flexibiliteacute et faciliteacute drsquoutilisation Drsquoautre part lrsquoune des contraintes de ce projet est
lrsquoadaptation de la solution recommandeacutee sur le banc drsquoessai existant Il y a eacutegalement une
contrainte moneacutetaire puisque lrsquoinvestissement total de lrsquoensemble de la solution ne doit pas
deacutepasser 8000 $ Le client est agrave la recherche drsquoune solution la plus abordable possible puisque
le banc drsquoessai nrsquoest utiliseacute que quelques fois par anneacutee
16 Formulation du mandat
Les tacircches du mandat de ce projet sont les suivantes
1 Analyser lrsquouniteacute actuelle
2 Concevoir une uniteacute de controcircle incluant
La seacutelection des composantes hydrauliques et eacutelectroniques
Le plan du circuit hydraulique de la solution finale
Le programme de lrsquouniteacute de controcircle
3 Concevoir une interface homme-machine conviviale
4 Reacutediger un mode drsquoemploi pour lrsquoutilisation du banc drsquoessai
5 Eacutevaluer le budget neacutecessaire pour fabriquer la nouvelle uniteacute
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17 Normes applicables
La compagnie SRD Bolduc Inc a preacutepareacute en 2005 pour Amobi un document deacutecrivant les
proceacutedures agrave suivre les informations agrave rapporter et le format des rapports drsquoessais requis pour
deacutemontrer la conformiteacute de siegraveges de veacutehicules aux normes de seacutecuriteacute des veacutehicules
automobiles du Canada NSVACCMVSS no 207 (ancrage des siegraveges) et 210 (ancrage de
ceinture de seacutecuriteacute) Vous retrouvez ci-dessous la description des trois tests normatifs qui
doivent ecirctre effectueacutes sur les siegraveges que lrsquoon deacutesire tester
Test No 1ndash Application de la force produisant un couple [NSVAC 207 1(b)ii(A)]
Figure 4 Point drsquoapplication de la force
Eacutetape 1
Appliquer une charge (en livres) eacutegale agrave 3300 diviseacutee par la distance laquo D raquo La distance laquo D raquo
eacutetant la distance en pouces entre le point de reacutefeacuterence assise2 et la piegravece transversale la plus
eacuteleveacutee du dossier ou de la partie supeacuterieure du dossier La charge doit ecirctre appliqueacutee sur la
partie transversale la plus eacuteleveacutee du dossier et vers lrsquoarriegravere agrave un angle de 0 degreacute
Eacutetape 2
Relacirccher la charge
2 La meacutethode pour deacuteterminer le point de reacutefeacuterence assise est expliqueacutee en annexe
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Test No 2ndash Application de la charge vers lrsquoarriegravere [NSVAC 207 1(a)i(B)]
Figure 5 Point dapplication de la force
Eacutetape 1
Appliquer une charge (en livres) eacutegale agrave 20 fois le poids du siegravege sur un intervalle de temps de
29 secondes La charge doit ecirctre appliqueacutee au centre de graviteacute du siegravege et vers lrsquoarriegravere agrave un
angle de 0 degreacute
Eacutetape 2
Maintenir la charge pendant au moins 10 secondes
Eacutetape 3
Relacirccher la charge
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Test No 3ndash Application simultaneacutee des forces [NSVAC 207 1(a)ii]
Figure 6 Points drsquoapplication des charges
Eacutetape 1
Appliquer 2 charges simultaneacutement sur un intervalle de temps de 29 secondes
- La premiegravere charge (en livres) est eacutegale agrave 20 fois le poids du siegravege et est appliqueacutee au
centre de graviteacute du siegravege vers lrsquoavant agrave un angle de 0 degreacute
- La valeur de la seconde charge deacutepend du type de ceinture installeacutee sur le siegravege Srsquoil
srsquoagit drsquoune ceinture de type I3 la charge agrave appliquer est de 5000 livres Si la ceinture
est de type II4 la charge agrave appliquer est de 3000 livres Cette charge doit ecirctre appliqueacutee
par le biais drsquoune forme de corps retenue par la ceinture de seacutecuriteacute du veacutehicule agrave un
angle compris entre 5 et 10 degreacutes de lrsquohorizontale
Eacutetape 2
Maintenir les charges pendant au moins 10 secondes
Eacutetape 3
Relacirccher les charges
3 Ceinture de seacutecuriteacute agrave 2 points drsquoancrage ougrave une seule sangle est raccordeacutee de chaque cocircteacute du bassin 4 Ceinture de seacutecuriteacute agrave 3 points drsquoancrage ougrave la sangle agrave deux points remonte en travers la poitrine du passager
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2 CADRE THEacuteORIQUE ET EacuteLABORATION DES HYPOTHEgraveSES
21 Cadre theacuteorique
Tout systegraveme agrave fluide sous pression comme celui du banc drsquoessai est toujours composeacute de trois
types de composantes soit
‐ Les composantes actives qui convertissent et modulent lrsquoeacutenergie
‐ Les composantes de liaison qui acheminent lrsquoeacutenergie drsquoune composante active agrave une
autre du moteur agrave la charge
‐ Les composantes passives qui exercent des fonctions secondaires mais qui sont
essentielles pour assurer le bon fonctionnement du systegraveme
Figure 7 Diagramme des principales composantes dun systegraveme hydraulique
211 Composantes actives
2111 Geacuteneacuterateurs
Sur le banc drsquoessai crsquoest la pompe (geacuteneacuterateur pour les liquides) qui produit lrsquoeacutenergie fluide
(volume de fluide sous pression) La puissance fluide est le taux de variation de cette eacutenergie
fluide et est obtenue en multipliant le deacutebit Q et la pression p du fluide
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La pompe se caracteacuterise par sa cylindreacutee D qui deacutepend du volume de fluide refouleacute par uniteacute
de deacuteplacement angulaire de lrsquoarbre (tour ou radian) Les variables de sortie Q et P peuvent ecirctre
exprimeacutees en fonction des variables drsquoentreacutee ωi et Ti selon les eacutequations suivantes
Q ω D
ougrave Q = deacutebit (m3s)
ωi = vitesse angulaire (rads)
D = cylindreacutee (m3rad)
p = pression (Pa)
Ti = couple (Nm)
En consideacuterant la pompe comme un geacuteneacuterateur ideacuteal permettant de transformer lrsquoeacutenergie fluide
sans aucune perte on peut affirmer que la puissance fluide P au refoulement est eacutegale agrave la
puissance meacutecanique drsquoentreacutee Pi soit
ougrave
ougrave Pi est exprimeacute en watts
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2112 Modulateurs
Les modulateurs dans le systegraveme hydraulique sont les valves de direction (distributeurs) les
valves de pression et les valves de deacutebit Sur le banc drsquoessai les valves de direction
(distributeurs) permettent de diriger le fluide drsquoun cocircteacute ou de lrsquoautre dans les veacuterins
(reacutecepteurs) pour qursquoils puissent travailler dans la direction voulue
Les valves de pression et les valves de deacutebit servent respectivement agrave controcircler la pression et le
deacutebit du fluide qui est livreacute aux reacutecepteurs (veacuterins) Lorsque lrsquohuile hydraulique traverse une
valve de pression le fluide est soumis agrave une reacuteduction de pression (de p agrave prsquo) et lorsque cette
huile traverse une valve de deacutebit elle subit une limitation de deacutebit (de Q agrave Qrsquo)
2113 Reacutecepteurs
Les reacutecepteurs dans le systegraveme hydraulique sont agrave mouvement lineacuteaire Les veacuterins sont des
reacutecepteurs qui absorbent lrsquoeacutenergie fluide et la transforment pour produire un travail meacutecanique
en translation Le veacuterin reccediloit le fluide sous pression et en extrait lrsquoeacutenergie avant de le renvoyer
vers le reacuteservoir Le veacuterin est caracteacuteriseacute par une aire A Ainsi on peut exprimer les deux
variables de sortie vo et Fo en fonction des deux variables drsquoentreacutee prsquo et Qrsquo selon les eacutequations
suivantes
prime
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Dans le cas drsquoun veacuterin ideacuteal on peut eacutecrire
Soit
Ougrave vo = vitesse (ms)
A = aire effective (m2)
Fo = force (N)
212 Composantes de liaison
Dans le systegraveme hydraulique les composantes de liaison sont le fluide lui-mecircme et les diverses
canalisations Lrsquohuile hydraulique (fluide) sert agrave transporter lrsquoeacutenergie fluide mais aussi agrave
lubrifier les piegraveces mobiles des veacuterins Cette huile circule dans les canalisations drsquoune
composante agrave une autre Pour eacuteviter drsquoinfluencer lrsquoefficaciteacute et la fiabiliteacute du systegraveme
hydraulique on doit bien choisir dimensionner et installer les canalisations
213 Composantes passives
Les composantes passives du systegraveme hydraulique sont respectivement le reacuteservoir de la pompe
qui permet le stockage de lrsquohuile et la creacutepine qui est un filtre grossier qui protegravege le fluide
contre les polluants externes
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22 Eacutelaboration des hypothegraveses
Voici toutes les hypothegraveses qui ont eacuteteacute poseacutees dans le cadre de ce projet
- La pompe fournie suffisamment de puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins
simultaneacutement
- Les pertes volumeacutetriques dans le circuit sont consideacutereacutees comme eacutetant neacutegligeables
- La pompe se deacutecharge par une valve de mise agrave vide lorsque les veacuterins sont au repos
- Le troisiegraveme distributeur installeacute par Geacuteliko Inc est inutile actuellement
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3 MISE EN ŒUVRE DU MANDAT
31 La recherche de solutions
311 Solution No 1 - Automate programmable
Un automate programmable industriel (API) est un dispositif eacutelectronique qui exerce des
fonctions de controcircle de processus industriels Sa fonction est drsquoenvoyer des commandes aux
preacuteactionneurs (ex les valves) agrave partir des donneacutees drsquoentreacutees qui proviennent des diffeacuterents
capteurs LrsquoAPI est composeacutee drsquoune uniteacute de calculs (processeur) drsquoune alimentation ACDC
et de modules qui sont choisis selon les besoins de lrsquoapplication tel que les cartes drsquoentreacutees-
sorties les modules de communication les modules de commande etc LrsquoAPI peut ecirctre relieacutee agrave
une interface homme-machine agrave un pupitre opeacuterateur agrave une interface graphique ou agrave un
ordinateur Les langages de programmation standards de lrsquoAPI sont le Grafcet et le Ladder
Figure 8 API de marque Allen-Bradley
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Tableau 1 Avantages et inconveacutenients drsquoun automate programmable
Avantages Inconveacutenients
Peu encombrant
Temps de reacuteponse rapide
Facile agrave programmer
Consommation eacutelectrique
acceptable
Configurables et extensibles par
modules
Robuste
Dispendieux pour les petites ou
simples applications
Logiciel de programmation non
gratuit
312 Solution No 2 - Microcontrocircleur
Un microcontrocircleur est comme lrsquoAPI un dispositif eacutelectronique programmable qui peut lire des
signaux drsquoentreacutees et envoyer des signaux de commande agrave des peacuteripheacuteriques externes De plus
le microcontrocircleur rassemble dans un circuit inteacutegreacute tous les eacuteleacutements essentiels agrave son bon
fonctionnement soit le processeur la meacutemoire les uniteacutes peacuteripheacuteriques et les interfaces
drsquoentreacutees-sorties Les langages de programmation des microcontrocircleurs sont varieacutes Basic C
C++ Java etc
Figure 9 Microcontrocircleur de marque Arduino
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Tableau 2 Avantages et inconveacutenients drsquoun microcontrocircleur
Avantages Inconveacutenients
Tregraves peu encombrant
Tregraves faible consommation
eacutelectrique
Logiciel de programmation
geacuteneacuteralement gratuit
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Peu drsquoentreacuteessorties
Langages de programmation plus
contraignants que le Ladder et le
Grafcet
Non extensible
Tregraves fragile
Vitesse de fonctionnement plus
faible
313 Solution No 3 - Relais
Avant lrsquoavegravenement de lrsquoautomate programmable dans le deacutebut des anneacutees 1970 les systegravemes
eacutetaient automatiseacutes agrave lrsquoaide de relais Les relais peuvent ecirctre activeacutes et deacutesactiveacutes sans
interrupteur manuel Aujourdrsquohui les relais servent agrave reacuteduire la taille des panneaux de controcircle
des machines ou agrave creacuteer des cycles drsquoautomatismes simples Mais pour les automatismes qui
requiegraverent un grand nombre drsquoentreacutees sorties on doit remplacer le systegraveme de relayage
devenant trop complexe par un automate programmable
Figure 10 Relais meacutecanique
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Tableau 3 Avantages et inconveacutenients drsquoun relais
Avantages Inconveacutenients
Pas de programmation requise
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Tregraves encombrant
Solution non ideacuteale pour creacuteer des
cycles drsquoautomatismes complexes
Technologie vieillissante
32 Eacutelaboration du baregraveme
Le baregraveme est essentiel lors de lrsquoeacutetape de la prise de deacutecision pour accorder le pointage agrave
chaque solution et pour permettre au concepteur de se fixer des prioriteacutes de conception Le
baregraveme est conccedilu en fonction des critegraveres de qualiteacutes rechercheacutees que lrsquoon associe agrave une eacutechelle
de satisfaction avec une pondeacuteration de 1 agrave 4
Tableau 4 Baregraveme
Critegraveres Objectif 1 2 3 4 Simpliciteacute La programmation
etou lrsquoinstallation de la solution doivent ecirctre faciles
Tregraves difficile Difficile Facile Tregraves facile
Compatibiliteacute Lrsquouniteacute doit ecirctre compatible avec les eacutequipements du banc drsquoessai
Pas compatible Peu compatible Compatible Tregraves compatible
Espace Lrsquoespace requis pour installer lrsquouniteacute est limiteacute
Volume imposant Volume eacuteleveacute Volume moyen Volume neacutegligeable
Fiabiliteacute Durabiliteacute
Lrsquouniteacute doit ecirctre fiable et durable
Tregraves faible Moyennement faible
Moyennement eacuteleveacute
Eacuteleveacute
Coucirct Les contraintes budgeacutetaires doivent ecirctre respecteacutees
Tregraves dispendieux Dispendieux Abordable Tregraves abordable
Efficaciteacute eacutenergeacutetique
La consommation eacutelectrique doit diminuer
Consommation eacuteleveacutee
Consommation normale
Consommation faible
Consommation tregraves faible
Seacutecuriteacute Les risques drsquoaccident de travail doivent diminuer
Tregraves risqueacute Risqueacute Peu risqueacute Aucun risque
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33 Matrice de deacutecision Le tableau suivant preacutesente la matrice de deacutecision Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation de chacune des
solutions on a attribueacute agrave chaque critegravere une note situeacutee en 1 et 4 Les notes des critegraveres sont
multiplieacutees par leurs pondeacuterations respectives ils sont ensuite additionneacutes puis enfin diviser par
4 pour obtenir la note en pourcentage de chaque solution Selon les scores obtenus crsquoest
lrsquoautomate programmable qui est consideacutereacute comme eacutetant la meilleure uniteacute de controcircle
Tableau 5 Matrice de deacutecision
Critegraveres Pondeacuteration Solution 1 2 3
Automate programmable
Microcontrocircleur Relais
Simpliciteacute 30 4 3 1 Compatibiliteacute 20 4 2 1
Espace 5 3 4 1 FiabiliteacuteDurabiliteacute 10 4 2 1
Coucirct 15 2 4 3 Efficaciteacute
eacutenergeacutetique 5 3 4 2
Seacutecuriteacute 15 4 1 1 Reacutesultat 100 90 662 338
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34 La conception de la solution recommandeacutee
341 Eacutetude du systegraveme hydraulique existant
La preacutesente section est une eacutetude plus deacutetailleacutee portant sur les principales composantes dont est
constitueacute le banc drsquoessai actuel Lrsquoeacutetude comporte une analyse de leurs caracteacuteristiques
principales et de leurs modes de fonctionnements On y preacutesente eacutegalement les symboles
graphiques de ces composantes Cette eacutetude est une eacutetape primordiale pour pouvoir bien choisir
les nouveaux eacutequipements et concevoir le circuit hydraulique de la solution finale
3411 Ensemble pompe-moteur-reacuteservoir
Comme dans les tous systegravemes hydrauliques le banc drsquoessai dispose drsquoun ensemble pompe-
moteur-reacuteservoir La pompe transforme lrsquoeacutenergie meacutecanique fournie par le moteur eacutelectrique
rotatif en eacutenergie fluide La pompe deacutemarre degraves qursquoon branche le moteur eacutelectrique agrave la prise de
courant Vous retrouverez ci-dessous les speacutecifications de ces composantes et une photo prise
sur place de lrsquoensemble
Moteur eacutelectrique AC
Figure 11 Repreacutesentation scheacutematique du moteur eacutelectrique AC
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Tableau 6 Speacutecifications du moteur eacutelectrique
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Puissance
(HP)
Voltage
(V)
Vitesse
(RPM)
HY-SPEC MFG03 HYSW850203-1G 1 110220 1800
Pompe
Tableau 7 Speacutecifications de la pompe (supposition5)
Marque Deacutebit max
(GPM)
Pression max
(PSI)
Cylindreacutee
(cm3tr)
Inconnu 18 3200 PSI 4
Reacuteservoir
Figure 12 Repreacutesentation scheacutematique du reacuteservoir
5 Le deacutebit et la pression pouvant ecirctre fournie par la pompe sont des informations qui ont eacuteteacute fournies par
lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai mais qui ne sont pas veacuterifiables
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Tableau 8 Speacutecifications du reacuteservoir
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Volume
(L)
HY-SPEC V120 HYSW880117 12
Figure 13 Photo de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir
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3412 Bloc Manifold (bloc foreacute)
Un bloc manifold est un bloc de meacutetal avec plusieurs canaux inteacutegreacute conccedilu pour la conduite de
fluide dans des espaces confineacutes On retrouve sur le bloc des caviteacutes dans lesquelles on peut
installer diffeacuterentes composantes hydrauliques (valves manomegravetres tuyau etc)
Tableau 9 Speacutecifications du bloc manifold
Marque Numeacutero de
seacuterie
Description Nombre
de
sections
Ports Orifice
de
seacutecuriteacute
Pression
drsquoopeacuteration
maximale
(PSI)
HY-
SPEC
HYSDD03-
P-03-2SS
Type D03
Circuit
parallegravele
3 P amp T = SAE 10
A amp B = SAE 8
GA = SAE 6
T-10A 5000
Figure 14 Photo du bloc manifold
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3413 Veacuterins
Les 2 veacuterins hydrauliques utiliseacutes dans le banc drsquoessai sont des veacuterins agrave mouvement lineacuteaire et agrave
double effet (deux directions de travail) qui convertissent lrsquoeacutenergie fluide en eacutenergie
meacutecanique Chaque veacuterin est composeacute drsquoun tube cylindrique (le cylindre) dans lequel est
inseacutereacutee une piegravece mobile (le corps du piston) qui assure lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre deux chambres La
tige rigide qui est relieacutee au corps du piston sert agrave transmettre lrsquoeffort et le deacuteplacement Les
veacuterins comportent deux orifices (alimentation et refoulement) et la pression peut ecirctre appliqueacutee
de chaque cocircteacute du piston pour entraicircner son deacuteplacement dans un sens ou dans lautre Ce sont
les distributeurs qui permettent drsquointervertir les rocircles des deux orifices pour controcircler la
direction de la tige
Par ailleurs il peut y avoir des fuites volumeacutetriques internes et externes dans les veacuterins et qui
sont indeacutesirables car elles reacuteduisent la dureacutee de vie et le rendement des veacuterins La fuite interne
est en fait un eacutecoulement de lrsquohuile de la chambre agrave haute pression vers la chambre agrave basse
pression qui est due au jeu entre le corps du piston et la paroi interne du cylindre Il peut
eacutegalement y avoir une fuite externe due au jeu entre la tige du piston et la tecircte du cylindre Pour
reacuteduire ces fuites on installe des joints drsquoeacutetancheacuteiteacutes sur le corps du piston et sur la tecircte du
cylindre
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees)
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Leacutegende
1 Cylindre 5 Chambre de refoulement
2 Piston A Orifice drsquoadmission
3 Tige R Orifice de refoulement
4 Chambre drsquoadmission
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin
La principale caracteacuteristique des veacuterins est lrsquoaire effective sur laquelle le fluide exerce une
pression Les aires effectives du corps du piston (cocircteacute fond du veacuterin et cocircteacute tecircte du veacuterin) sont
diffeacuterentes agrave cause de la preacutesence de la tige sur une seule face du corps du piston Par
conseacutequent pour des mecircmes pressions drsquoadmission la force de contraction est plus faible que
la force drsquoextension Les eacutequations ci-dessous servent agrave convertir les forces (lb) en pression
(psi) selon le sens drsquoapplication du veacuterin
Calcul pour la conversion force-pression
Diamegravetre du piston6 25 po
Diamegravetre de la tige 15 po
lowast egrave
4lowast 25po
449087
lowast egrave
4lowast 15po
417671
ocirc eacute ecirc eacute
ocirc eacute eacute
6 Bore est le terme eacutequivalent du corps du piston
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Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins
Marque Numeacutero de seacuterie Type drsquoorifices Poids
(livres)
Pression
maximale
(pouce)
HY-SPEC HYS 25FEM24-NW SAE-8 40 3000 PSI
3414 Manomegravetre
Actuellement les pressions exerceacutees dans le bloc manifold et dans chaque chambre des veacuterins
sont mesureacutees agrave lrsquoaide de manomegravetre agrave glyceacuterine
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine
Marque Numeacutero de seacuterie Localisation Diamegravetre
(pouce)
Connexion Eacutechelle du
cadran
(PSI)
HY-
SPEC
HYSG22LXB3000PSI-
14NPT
Bloc
manifold
25
frac14 NPT
0 agrave 3000
HY-
SPEC
HYSG22LXB5000PSI-
14NPT
2 par veacuterin 0 agrave 5000
G
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold
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3415 Les distributeurs
Dans le systegraveme hydraulique les distributeurs (valves de distribution) sont les composantes
actives (modulateurs) qui permettent la distribution du flux drsquoeacutenergie vers les 2 veacuterins
(reacutecepteurs) pour les libeacuterer les arrecircter ou les reacutetracter Sur les trois distributeurs installeacutes sur le
banc drsquoessai seuls 2 drsquoentre eux sont utiliseacutes Le troisiegraveme distributeur a eacuteteacute installeacute au cas ougrave
un troisiegraveme veacuterin serait neacutecessaire pour reacutealiser des tests futurs drsquoapregraves lrsquoopeacuterateur du banc
drsquoessai Il srsquoagit de distributeurs agrave tiroir (de type coulissant) agrave quatre orifices et agrave trois positions
agrave action piloteacutee agrave commande eacutelectrique par soleacutenoiumldes et agrave centrage par ressort de rappel
En alimentant lrsquoun des deux soleacutenoiumldes avec un courant eacutelectrique le tiroir du distributeur se
deacuteplace et lrsquohuile circule par des canaux internes de la valve vers lrsquoune des extreacutemiteacutes du tiroir
principal pendant que lrsquoautre extreacutemiteacute de ce tiroir est raccordeacutee au reacuteservoir du systegraveme par
lrsquoaction du distributeur pilote La pression qui srsquoexerce sur la face du tiroir principal engendre
une force qui pousse ce dernier et le maintien en position agrave voies parallegraveles ou en position agrave
voies croiseacutees En alternant entre la position agrave voies parallegraveles et la position agrave voies croiseacutees le
sens de lrsquoeacutecoulement du fluide dans le veacuterin change et donc le sens de lrsquoapplication de la force
Par ailleurs lorsque les deux soleacutenoiumldes du distributeur ne sont plus alimenteacutes par un courant
eacutelectrique le tiroir principal revient agrave sa position de repos gracircce agrave la pousseacutee du ressort de
rappel Puisqursquoil srsquoagit de distributeurs agrave centre fermeacute lrsquohuile ne peut alors plus circuler dans
les distributeurs et ecirctre achemineacutee dans les veacuterins
Figure 18 Les trois positions des distributeurs
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Leacutegende
T Orifice du reacuteservoir
P Orifice de la pompe
A amp B Admission et refoulement
1 Tiroir
2 Corps de valve
3 Ressort de rappel
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute
Figure 20 Photos des 3 distributeurs
Marque Numeacutero de seacuterie Tension
(V)
Deacutebit
max
(GPM)
Pression admissible
(PSI)
HY-
SPEC
HYSFW-02-3C2-
B110-Z5L-50
24 DC 9 4750
(Orifice A B P)
2320
(Orifice T)
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 39
La commande des distributeurs
Actuellement lrsquoalimentation des soleacutenoiumldes en courant se fait via deux manettes de controcircle
On retrouve sur ces manettes au total 6 boutons qui permettent lrsquoactivation de chacun des
soleacutenoiumldes Le soleacutenoiumlde demeure alimenteacute tant que lrsquoopeacuterateur exerce une pression sur le
bouton Eacutevidemment ces manettes deviendront inutiles lorsque les soleacutenoiumldes seront alimenteacutes
par lrsquoautomate programmable dans la solution finale
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle
Marque Numeacutero de seacuterie Nombre de boutons
HY-SPEC
HYST90009-3P 2
HYST90012-3P 4
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle
Figure 22 Boicircte de conversion7 entre la manette et le distributeur
7 Aucune speacutecification nrsquoest disponible pour la boicircte de conversion des manettes de controcircle
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3416 Limiteurs de deacutebit
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit
Les limiteurs de deacutebit permettent de controcircler les deacutebits drsquoalimentation des veacuterins et par ce fait
les vitesses de sortie et de rentreacutee des tiges des deux veacuterins Pour y arriver ces valves reacutegulent
le deacutebit du fluide en diminuant la section de lrsquoouverture emprunteacutee par celui-ci Le deacutebit est
proportionnel agrave cette ouverture et agrave la racine carreacutee de la perte de charge Sur le banc drsquoessai on
retrouve 2 eacutetrangleurs reacuteglables agrave pointeau par veacuterin Lrsquoeacutetrangleur agrave pointeau est coupleacute dans le
mecircme corps de la valve avec un clapet de retenue avec ressort8 pour que le deacutebit ne soit limiteacute
que dans un seul sens de lrsquoeacutecoulement
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort
Marque Numeacutero de seacuterie Type
Vickers DGMFN-3-Y-A2W-B2W-41 Port double
8 Il y a ouverture du clapet si la pression drsquoentreacutee est supeacuterieure agrave la somme de la pression de sortie et de la pression du ressort
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 45
ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 46
deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
Vinc
342
Parm
press
systegrave
man
(man
digit
drsquoen
eacutequi
342
Le f
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12 Le860 mpress
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2 Choix des
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21 Limiteur
Figur
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mecircme princip
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manomegravetres
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controcircle du ba
Hiver201
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11
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CMVSS
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47
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nomegravetres
tibiliteacute et
modegraveles
epose sur
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ortie est
e via un
puisqursquoil
200 mA agrave miteurs de
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 48
srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 53
Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 54
4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 55
5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 56
6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 57
CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
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Richmond 1980
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
ix
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute 45
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee 45
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide 46
Figure 32 Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle de type cartouche 47
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05
lmn) 48
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie 49
Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale 51
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence 55
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
56
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en
fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68) 62
x
LISTE DES ABREacuteVIATIONS
API Automate programmable industriel
PLC Programmable Logic Controller (eacutequivalent anglais de API)
CPU Central Processing Unit (eacutequivalent anglais de processeur)
ES EntreacuteeSortie
GRAFCET Graphe fonctionnel de commande drsquoeacutetape-transition
PID Proportionnel inteacutegral deacuteriveacute
GEMMA Guide drsquoeacutetude des modes de marches et arrecircts
CA Courant alternatif
CC Courant continu
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INTRODUCTION
Le preacutesent document est le fruit du travail effectueacute dans le cadre du projet drsquoeacutetude en
ingeacutenierie Le projet en question est reacutealiseacute pour Amobi un manufacturier de siegraveges
pneumatiques ergonomiques haut de gamme pour camions autobus et eacutequipements industriels
Les clients drsquoAmobi deacutesirent que les siegraveges installeacutes dans leurs veacutehicules soient conformes aux
normes de seacutecuriteacute volontaire1 des CMVSS no 207 et 210 de Transport Canada Lrsquoobjectif
principal de ce projet est de concevoir une uniteacute de controcircle pour reacutesoudre les restrictions
majeures que rencontre le banc drsquoessai preacutesentement Le banc drsquoessai actuel ne permet pas de
respecter la proceacutedure des tests et il est difficile agrave opeacuterer Pour atteindre cet objectif la seacutelection
des composantes hydrauliques et eacutelectroniques la conception du circuit hydraulique de la
solution finale lrsquoeacutecriture du programme de lrsquouniteacute de controcircle et la conception drsquoune interface
homme-machine doivent ecirctre effectueacutees
1 Une norme volontaire nrsquoa pas agrave ecirctre obligatoirement respecteacutee comparativement aux lois et regraveglements dicteacutes par les gouvernements provinciaux et feacutedeacuteraux La plupart du temps lrsquoentreprise consent agrave adheacuterer agrave ces normes autoreacuteglementaires puisque cela preacutesente plus davantages que dinconveacutenients
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1 EacuteTUDE DES BESOINS ET MANDAT
Cette section documente tous les renseignements obtenus lors de la collecte de donneacutees
11 Preacutesentation de lrsquoentreprise
Lrsquoentreprise pour laquelle le projet est reacutealiseacute est Amobi Cette compagnie fait partie du
Groupe Dion qui possegravede plusieurs divisions soit industrielles (Pro-AB Eacutequipement TNO
Dion Peinture Industrielle Amobi Acces Industriel Access Mining Services) automobiles
(Action Kia Acces Toyota Hino Nord-Ouest Location Dion Au Carrossier) et de produits
reacutecreacuteatifs (Eacutequipement TNO Marine Lamy et Amobi) Amobi est un manufacturier de siegraveges
pneumatiques ergonomiques haut de gamme pour camions autobus et eacutequipements industriels
Amobi fabrique eacutegalement des toiles protectrices multiusages pour bateaux pontons motos
tracteurs et motoneiges Dans ce travail et dans ceux qui suivront nous ne traiterons toutefois
pas davantage de ces derniers puisque notre projet relegraveve plutocirct du deacutepartement qui srsquooccupe de
la fabrication des siegraveges Amobi dessert le marcheacute canadien mais exporte aussi ces siegraveges agrave des
agents manufacturiers et des distributeurs disperseacutes dans diffeacuterentes reacutegions des Eacutetats-Unis La
figure 2 preacutesente la gamme de siegraveges fabriqueacutee par Amobi
Figure 1 Modegraveles de siegraveges fabriqueacutes par Amobi
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12 Description du produit
Les siegraveges fabriqueacutes par Amobi sont constitueacutes de plusieurs ballons indeacutependants qui se
gonflent pour srsquoadapter agrave la masse et agrave la taille du conducteur Ces ballons apportent un support
dorsal et lateacuteral qui combineacute agrave la base pneumatique agrave amortisseurs permet de diminuer
lrsquoimpact des chocs et des vibrations creacuteeacutes par la route sur le corps du conducteur
Ces siegraveges sont entiegraverement reacuteglables crsquoest-agrave-dire que des manettes de controcircle permettent
lrsquoajustement de nombreux points selon les preacutefeacuterences du conducteur la position avant-arriegravere
du siegravege la profondeur et lrsquoinclinaison de lrsquoassise lrsquoinclinaison du dossier la forme de lrsquoassise
et du dossier la hauteur du siegravege et la suspension de la base du siegravege Les produits fabriqueacutes par
Amobi sont tregraves durables car ils doivent tenir aussi longtemps que le veacutehicule dans lequel ils
seront installeacutes De plus ils doivent aussi reacutesister agrave des ajustements tregraves freacutequents puisque ces
veacutehicules sont souvent conduits par un grand nombre de personnes diffeacuterentes
La majoriteacute des piegraveces composant les siegraveges sont fabriqueacutees par des sous-traitants
Lrsquoassemblage du produit final est cependant entiegraverement fait chez Amobi Crsquoest aussi lagrave que se
fait la conception lrsquoameacutelioration et le test des produits fabriqueacutes
Figure 2 Cellules pneumatiques gonflables dans le siegravege Tech 3001
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13 Description du proceacutedeacute
Les produits drsquoAmobi sont faits selon les besoins des clients et la majoriteacute de ceux-ci deacutesirent
que les siegraveges installeacutes dans leurs veacutehicules soient conformes aux normes volontaires de
Transport Canada Pour srsquoassurer de cette conformiteacute la compagnie doit tester elle-mecircme ses
siegraveges avant drsquoen produire un grand nombre lorsqursquoil srsquoagit drsquoun nouveau concept ou drsquoun
concept existant dont on a modifieacute des composantes structurales Crsquoest pourquoi Amobi srsquoest
doteacute drsquoun banc drsquoessai pour siegravege visant agrave tester la conformiteacute aux Normes de seacutecuriteacute des
veacutehicules automobiles du Canada (NSVAC ou CMVSS - Canada Motor Vehicle Safety
Standards) no 207 et 210
Les essais effectueacutes visent agrave tester la reacuteaction du siegravege et de son ancrage agrave diffeacuterentes forces
appliqueacutees sur celui-ci Le banc est donc constitueacute drsquoun cadre de meacutetal sur lequel est installeacute un
exemple drsquoancrage de siegravege fourni par la compagnie Novabus client drsquoAmobi ainsi que drsquoune
uniteacute composeacutee de deux cylindres hydrauliques pour appliquer les forces en question
Figure 3 Banc drsquoessai agrave lrsquoœuvre sur un siegravege de la compagnie Amobi chez PMG Technologies agrave Blainville
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14 Mise en contexte de la probleacutematique
Preacutesentement lrsquoentreprise a un banc drsquoessai qui est utiliseacute pour effectuer les tests normatifs
exigeacutes par les normes CMVSS 207 et 210 Lrsquouniteacute de controcircle utiliseacute jusqursquoagrave ce jour preacutesente
des restrictions majeures tel que
1 Seule une personne expeacuterimenteacutee dans le controcircle des valves soleacutenoiumldes est apte agrave
opeacuterer le banc de faccedilon acceptable Le banc drsquoessai ne dispose pas drsquoune interface
homme-machine conviviale
2 Le controcircle des forces appliqueacutees par les veacuterins hydrauliques se fait par le reacuteglage des
valves Les forces ne sont pas appliqueacutees instantaneacutement
3 Le banc drsquoessai actuel ne permet pas drsquoappliquer deux forces simultaneacutement sur le
siegravege
4 Il y a un leacuteger deacuteplacement du siegravege pendant lrsquoopeacuteration du banc drsquoessai ce qui fait en
sorte que les forces reacuteelles appliqueacutees par les cylindres ne demeurent pas constantes
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai doit continuellement surveiller plusieurs manomegravetres et
ajuster la pression dans les cylindres pour corriger les effets de cette perturbation
5 La mesure des pressions deacuteployeacutees est peacutenible agrave cause de lrsquoimpreacutecision de lrsquoeacutechelle des
cadrans des manomegravetres Il est ainsi impossible drsquoopeacuterer le banc drsquoessai agrave basse
pression
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15 Objectifs contraintes et restrictions
Lrsquoobjectif principal de ce projet est de concevoir une uniteacute de controcircle reacutesolvant les restrictions
majeures que rencontre le banc drsquoessai preacutesentement En drsquoautres mots Amobi veut disposer
drsquoun banc drsquoessai permettant drsquoeffectuer tous les tests relieacutes aux normes CMVSS 207-210 en
gagnant en flexibiliteacute et faciliteacute drsquoutilisation Drsquoautre part lrsquoune des contraintes de ce projet est
lrsquoadaptation de la solution recommandeacutee sur le banc drsquoessai existant Il y a eacutegalement une
contrainte moneacutetaire puisque lrsquoinvestissement total de lrsquoensemble de la solution ne doit pas
deacutepasser 8000 $ Le client est agrave la recherche drsquoune solution la plus abordable possible puisque
le banc drsquoessai nrsquoest utiliseacute que quelques fois par anneacutee
16 Formulation du mandat
Les tacircches du mandat de ce projet sont les suivantes
1 Analyser lrsquouniteacute actuelle
2 Concevoir une uniteacute de controcircle incluant
La seacutelection des composantes hydrauliques et eacutelectroniques
Le plan du circuit hydraulique de la solution finale
Le programme de lrsquouniteacute de controcircle
3 Concevoir une interface homme-machine conviviale
4 Reacutediger un mode drsquoemploi pour lrsquoutilisation du banc drsquoessai
5 Eacutevaluer le budget neacutecessaire pour fabriquer la nouvelle uniteacute
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17 Normes applicables
La compagnie SRD Bolduc Inc a preacutepareacute en 2005 pour Amobi un document deacutecrivant les
proceacutedures agrave suivre les informations agrave rapporter et le format des rapports drsquoessais requis pour
deacutemontrer la conformiteacute de siegraveges de veacutehicules aux normes de seacutecuriteacute des veacutehicules
automobiles du Canada NSVACCMVSS no 207 (ancrage des siegraveges) et 210 (ancrage de
ceinture de seacutecuriteacute) Vous retrouvez ci-dessous la description des trois tests normatifs qui
doivent ecirctre effectueacutes sur les siegraveges que lrsquoon deacutesire tester
Test No 1ndash Application de la force produisant un couple [NSVAC 207 1(b)ii(A)]
Figure 4 Point drsquoapplication de la force
Eacutetape 1
Appliquer une charge (en livres) eacutegale agrave 3300 diviseacutee par la distance laquo D raquo La distance laquo D raquo
eacutetant la distance en pouces entre le point de reacutefeacuterence assise2 et la piegravece transversale la plus
eacuteleveacutee du dossier ou de la partie supeacuterieure du dossier La charge doit ecirctre appliqueacutee sur la
partie transversale la plus eacuteleveacutee du dossier et vers lrsquoarriegravere agrave un angle de 0 degreacute
Eacutetape 2
Relacirccher la charge
2 La meacutethode pour deacuteterminer le point de reacutefeacuterence assise est expliqueacutee en annexe
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Test No 2ndash Application de la charge vers lrsquoarriegravere [NSVAC 207 1(a)i(B)]
Figure 5 Point dapplication de la force
Eacutetape 1
Appliquer une charge (en livres) eacutegale agrave 20 fois le poids du siegravege sur un intervalle de temps de
29 secondes La charge doit ecirctre appliqueacutee au centre de graviteacute du siegravege et vers lrsquoarriegravere agrave un
angle de 0 degreacute
Eacutetape 2
Maintenir la charge pendant au moins 10 secondes
Eacutetape 3
Relacirccher la charge
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Test No 3ndash Application simultaneacutee des forces [NSVAC 207 1(a)ii]
Figure 6 Points drsquoapplication des charges
Eacutetape 1
Appliquer 2 charges simultaneacutement sur un intervalle de temps de 29 secondes
- La premiegravere charge (en livres) est eacutegale agrave 20 fois le poids du siegravege et est appliqueacutee au
centre de graviteacute du siegravege vers lrsquoavant agrave un angle de 0 degreacute
- La valeur de la seconde charge deacutepend du type de ceinture installeacutee sur le siegravege Srsquoil
srsquoagit drsquoune ceinture de type I3 la charge agrave appliquer est de 5000 livres Si la ceinture
est de type II4 la charge agrave appliquer est de 3000 livres Cette charge doit ecirctre appliqueacutee
par le biais drsquoune forme de corps retenue par la ceinture de seacutecuriteacute du veacutehicule agrave un
angle compris entre 5 et 10 degreacutes de lrsquohorizontale
Eacutetape 2
Maintenir les charges pendant au moins 10 secondes
Eacutetape 3
Relacirccher les charges
3 Ceinture de seacutecuriteacute agrave 2 points drsquoancrage ougrave une seule sangle est raccordeacutee de chaque cocircteacute du bassin 4 Ceinture de seacutecuriteacute agrave 3 points drsquoancrage ougrave la sangle agrave deux points remonte en travers la poitrine du passager
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2 CADRE THEacuteORIQUE ET EacuteLABORATION DES HYPOTHEgraveSES
21 Cadre theacuteorique
Tout systegraveme agrave fluide sous pression comme celui du banc drsquoessai est toujours composeacute de trois
types de composantes soit
‐ Les composantes actives qui convertissent et modulent lrsquoeacutenergie
‐ Les composantes de liaison qui acheminent lrsquoeacutenergie drsquoune composante active agrave une
autre du moteur agrave la charge
‐ Les composantes passives qui exercent des fonctions secondaires mais qui sont
essentielles pour assurer le bon fonctionnement du systegraveme
Figure 7 Diagramme des principales composantes dun systegraveme hydraulique
211 Composantes actives
2111 Geacuteneacuterateurs
Sur le banc drsquoessai crsquoest la pompe (geacuteneacuterateur pour les liquides) qui produit lrsquoeacutenergie fluide
(volume de fluide sous pression) La puissance fluide est le taux de variation de cette eacutenergie
fluide et est obtenue en multipliant le deacutebit Q et la pression p du fluide
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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La pompe se caracteacuterise par sa cylindreacutee D qui deacutepend du volume de fluide refouleacute par uniteacute
de deacuteplacement angulaire de lrsquoarbre (tour ou radian) Les variables de sortie Q et P peuvent ecirctre
exprimeacutees en fonction des variables drsquoentreacutee ωi et Ti selon les eacutequations suivantes
Q ω D
ougrave Q = deacutebit (m3s)
ωi = vitesse angulaire (rads)
D = cylindreacutee (m3rad)
p = pression (Pa)
Ti = couple (Nm)
En consideacuterant la pompe comme un geacuteneacuterateur ideacuteal permettant de transformer lrsquoeacutenergie fluide
sans aucune perte on peut affirmer que la puissance fluide P au refoulement est eacutegale agrave la
puissance meacutecanique drsquoentreacutee Pi soit
ougrave
ougrave Pi est exprimeacute en watts
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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2112 Modulateurs
Les modulateurs dans le systegraveme hydraulique sont les valves de direction (distributeurs) les
valves de pression et les valves de deacutebit Sur le banc drsquoessai les valves de direction
(distributeurs) permettent de diriger le fluide drsquoun cocircteacute ou de lrsquoautre dans les veacuterins
(reacutecepteurs) pour qursquoils puissent travailler dans la direction voulue
Les valves de pression et les valves de deacutebit servent respectivement agrave controcircler la pression et le
deacutebit du fluide qui est livreacute aux reacutecepteurs (veacuterins) Lorsque lrsquohuile hydraulique traverse une
valve de pression le fluide est soumis agrave une reacuteduction de pression (de p agrave prsquo) et lorsque cette
huile traverse une valve de deacutebit elle subit une limitation de deacutebit (de Q agrave Qrsquo)
2113 Reacutecepteurs
Les reacutecepteurs dans le systegraveme hydraulique sont agrave mouvement lineacuteaire Les veacuterins sont des
reacutecepteurs qui absorbent lrsquoeacutenergie fluide et la transforment pour produire un travail meacutecanique
en translation Le veacuterin reccediloit le fluide sous pression et en extrait lrsquoeacutenergie avant de le renvoyer
vers le reacuteservoir Le veacuterin est caracteacuteriseacute par une aire A Ainsi on peut exprimer les deux
variables de sortie vo et Fo en fonction des deux variables drsquoentreacutee prsquo et Qrsquo selon les eacutequations
suivantes
prime
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 23
Dans le cas drsquoun veacuterin ideacuteal on peut eacutecrire
Soit
Ougrave vo = vitesse (ms)
A = aire effective (m2)
Fo = force (N)
212 Composantes de liaison
Dans le systegraveme hydraulique les composantes de liaison sont le fluide lui-mecircme et les diverses
canalisations Lrsquohuile hydraulique (fluide) sert agrave transporter lrsquoeacutenergie fluide mais aussi agrave
lubrifier les piegraveces mobiles des veacuterins Cette huile circule dans les canalisations drsquoune
composante agrave une autre Pour eacuteviter drsquoinfluencer lrsquoefficaciteacute et la fiabiliteacute du systegraveme
hydraulique on doit bien choisir dimensionner et installer les canalisations
213 Composantes passives
Les composantes passives du systegraveme hydraulique sont respectivement le reacuteservoir de la pompe
qui permet le stockage de lrsquohuile et la creacutepine qui est un filtre grossier qui protegravege le fluide
contre les polluants externes
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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22 Eacutelaboration des hypothegraveses
Voici toutes les hypothegraveses qui ont eacuteteacute poseacutees dans le cadre de ce projet
- La pompe fournie suffisamment de puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins
simultaneacutement
- Les pertes volumeacutetriques dans le circuit sont consideacutereacutees comme eacutetant neacutegligeables
- La pompe se deacutecharge par une valve de mise agrave vide lorsque les veacuterins sont au repos
- Le troisiegraveme distributeur installeacute par Geacuteliko Inc est inutile actuellement
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 25
3 MISE EN ŒUVRE DU MANDAT
31 La recherche de solutions
311 Solution No 1 - Automate programmable
Un automate programmable industriel (API) est un dispositif eacutelectronique qui exerce des
fonctions de controcircle de processus industriels Sa fonction est drsquoenvoyer des commandes aux
preacuteactionneurs (ex les valves) agrave partir des donneacutees drsquoentreacutees qui proviennent des diffeacuterents
capteurs LrsquoAPI est composeacutee drsquoune uniteacute de calculs (processeur) drsquoune alimentation ACDC
et de modules qui sont choisis selon les besoins de lrsquoapplication tel que les cartes drsquoentreacutees-
sorties les modules de communication les modules de commande etc LrsquoAPI peut ecirctre relieacutee agrave
une interface homme-machine agrave un pupitre opeacuterateur agrave une interface graphique ou agrave un
ordinateur Les langages de programmation standards de lrsquoAPI sont le Grafcet et le Ladder
Figure 8 API de marque Allen-Bradley
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Tableau 1 Avantages et inconveacutenients drsquoun automate programmable
Avantages Inconveacutenients
Peu encombrant
Temps de reacuteponse rapide
Facile agrave programmer
Consommation eacutelectrique
acceptable
Configurables et extensibles par
modules
Robuste
Dispendieux pour les petites ou
simples applications
Logiciel de programmation non
gratuit
312 Solution No 2 - Microcontrocircleur
Un microcontrocircleur est comme lrsquoAPI un dispositif eacutelectronique programmable qui peut lire des
signaux drsquoentreacutees et envoyer des signaux de commande agrave des peacuteripheacuteriques externes De plus
le microcontrocircleur rassemble dans un circuit inteacutegreacute tous les eacuteleacutements essentiels agrave son bon
fonctionnement soit le processeur la meacutemoire les uniteacutes peacuteripheacuteriques et les interfaces
drsquoentreacutees-sorties Les langages de programmation des microcontrocircleurs sont varieacutes Basic C
C++ Java etc
Figure 9 Microcontrocircleur de marque Arduino
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Tableau 2 Avantages et inconveacutenients drsquoun microcontrocircleur
Avantages Inconveacutenients
Tregraves peu encombrant
Tregraves faible consommation
eacutelectrique
Logiciel de programmation
geacuteneacuteralement gratuit
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Peu drsquoentreacuteessorties
Langages de programmation plus
contraignants que le Ladder et le
Grafcet
Non extensible
Tregraves fragile
Vitesse de fonctionnement plus
faible
313 Solution No 3 - Relais
Avant lrsquoavegravenement de lrsquoautomate programmable dans le deacutebut des anneacutees 1970 les systegravemes
eacutetaient automatiseacutes agrave lrsquoaide de relais Les relais peuvent ecirctre activeacutes et deacutesactiveacutes sans
interrupteur manuel Aujourdrsquohui les relais servent agrave reacuteduire la taille des panneaux de controcircle
des machines ou agrave creacuteer des cycles drsquoautomatismes simples Mais pour les automatismes qui
requiegraverent un grand nombre drsquoentreacutees sorties on doit remplacer le systegraveme de relayage
devenant trop complexe par un automate programmable
Figure 10 Relais meacutecanique
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VincentWLeliegravevre Hiver2011 28
Tableau 3 Avantages et inconveacutenients drsquoun relais
Avantages Inconveacutenients
Pas de programmation requise
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Tregraves encombrant
Solution non ideacuteale pour creacuteer des
cycles drsquoautomatismes complexes
Technologie vieillissante
32 Eacutelaboration du baregraveme
Le baregraveme est essentiel lors de lrsquoeacutetape de la prise de deacutecision pour accorder le pointage agrave
chaque solution et pour permettre au concepteur de se fixer des prioriteacutes de conception Le
baregraveme est conccedilu en fonction des critegraveres de qualiteacutes rechercheacutees que lrsquoon associe agrave une eacutechelle
de satisfaction avec une pondeacuteration de 1 agrave 4
Tableau 4 Baregraveme
Critegraveres Objectif 1 2 3 4 Simpliciteacute La programmation
etou lrsquoinstallation de la solution doivent ecirctre faciles
Tregraves difficile Difficile Facile Tregraves facile
Compatibiliteacute Lrsquouniteacute doit ecirctre compatible avec les eacutequipements du banc drsquoessai
Pas compatible Peu compatible Compatible Tregraves compatible
Espace Lrsquoespace requis pour installer lrsquouniteacute est limiteacute
Volume imposant Volume eacuteleveacute Volume moyen Volume neacutegligeable
Fiabiliteacute Durabiliteacute
Lrsquouniteacute doit ecirctre fiable et durable
Tregraves faible Moyennement faible
Moyennement eacuteleveacute
Eacuteleveacute
Coucirct Les contraintes budgeacutetaires doivent ecirctre respecteacutees
Tregraves dispendieux Dispendieux Abordable Tregraves abordable
Efficaciteacute eacutenergeacutetique
La consommation eacutelectrique doit diminuer
Consommation eacuteleveacutee
Consommation normale
Consommation faible
Consommation tregraves faible
Seacutecuriteacute Les risques drsquoaccident de travail doivent diminuer
Tregraves risqueacute Risqueacute Peu risqueacute Aucun risque
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33 Matrice de deacutecision Le tableau suivant preacutesente la matrice de deacutecision Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation de chacune des
solutions on a attribueacute agrave chaque critegravere une note situeacutee en 1 et 4 Les notes des critegraveres sont
multiplieacutees par leurs pondeacuterations respectives ils sont ensuite additionneacutes puis enfin diviser par
4 pour obtenir la note en pourcentage de chaque solution Selon les scores obtenus crsquoest
lrsquoautomate programmable qui est consideacutereacute comme eacutetant la meilleure uniteacute de controcircle
Tableau 5 Matrice de deacutecision
Critegraveres Pondeacuteration Solution 1 2 3
Automate programmable
Microcontrocircleur Relais
Simpliciteacute 30 4 3 1 Compatibiliteacute 20 4 2 1
Espace 5 3 4 1 FiabiliteacuteDurabiliteacute 10 4 2 1
Coucirct 15 2 4 3 Efficaciteacute
eacutenergeacutetique 5 3 4 2
Seacutecuriteacute 15 4 1 1 Reacutesultat 100 90 662 338
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34 La conception de la solution recommandeacutee
341 Eacutetude du systegraveme hydraulique existant
La preacutesente section est une eacutetude plus deacutetailleacutee portant sur les principales composantes dont est
constitueacute le banc drsquoessai actuel Lrsquoeacutetude comporte une analyse de leurs caracteacuteristiques
principales et de leurs modes de fonctionnements On y preacutesente eacutegalement les symboles
graphiques de ces composantes Cette eacutetude est une eacutetape primordiale pour pouvoir bien choisir
les nouveaux eacutequipements et concevoir le circuit hydraulique de la solution finale
3411 Ensemble pompe-moteur-reacuteservoir
Comme dans les tous systegravemes hydrauliques le banc drsquoessai dispose drsquoun ensemble pompe-
moteur-reacuteservoir La pompe transforme lrsquoeacutenergie meacutecanique fournie par le moteur eacutelectrique
rotatif en eacutenergie fluide La pompe deacutemarre degraves qursquoon branche le moteur eacutelectrique agrave la prise de
courant Vous retrouverez ci-dessous les speacutecifications de ces composantes et une photo prise
sur place de lrsquoensemble
Moteur eacutelectrique AC
Figure 11 Repreacutesentation scheacutematique du moteur eacutelectrique AC
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Tableau 6 Speacutecifications du moteur eacutelectrique
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Puissance
(HP)
Voltage
(V)
Vitesse
(RPM)
HY-SPEC MFG03 HYSW850203-1G 1 110220 1800
Pompe
Tableau 7 Speacutecifications de la pompe (supposition5)
Marque Deacutebit max
(GPM)
Pression max
(PSI)
Cylindreacutee
(cm3tr)
Inconnu 18 3200 PSI 4
Reacuteservoir
Figure 12 Repreacutesentation scheacutematique du reacuteservoir
5 Le deacutebit et la pression pouvant ecirctre fournie par la pompe sont des informations qui ont eacuteteacute fournies par
lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai mais qui ne sont pas veacuterifiables
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Tableau 8 Speacutecifications du reacuteservoir
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Volume
(L)
HY-SPEC V120 HYSW880117 12
Figure 13 Photo de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir
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3412 Bloc Manifold (bloc foreacute)
Un bloc manifold est un bloc de meacutetal avec plusieurs canaux inteacutegreacute conccedilu pour la conduite de
fluide dans des espaces confineacutes On retrouve sur le bloc des caviteacutes dans lesquelles on peut
installer diffeacuterentes composantes hydrauliques (valves manomegravetres tuyau etc)
Tableau 9 Speacutecifications du bloc manifold
Marque Numeacutero de
seacuterie
Description Nombre
de
sections
Ports Orifice
de
seacutecuriteacute
Pression
drsquoopeacuteration
maximale
(PSI)
HY-
SPEC
HYSDD03-
P-03-2SS
Type D03
Circuit
parallegravele
3 P amp T = SAE 10
A amp B = SAE 8
GA = SAE 6
T-10A 5000
Figure 14 Photo du bloc manifold
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3413 Veacuterins
Les 2 veacuterins hydrauliques utiliseacutes dans le banc drsquoessai sont des veacuterins agrave mouvement lineacuteaire et agrave
double effet (deux directions de travail) qui convertissent lrsquoeacutenergie fluide en eacutenergie
meacutecanique Chaque veacuterin est composeacute drsquoun tube cylindrique (le cylindre) dans lequel est
inseacutereacutee une piegravece mobile (le corps du piston) qui assure lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre deux chambres La
tige rigide qui est relieacutee au corps du piston sert agrave transmettre lrsquoeffort et le deacuteplacement Les
veacuterins comportent deux orifices (alimentation et refoulement) et la pression peut ecirctre appliqueacutee
de chaque cocircteacute du piston pour entraicircner son deacuteplacement dans un sens ou dans lautre Ce sont
les distributeurs qui permettent drsquointervertir les rocircles des deux orifices pour controcircler la
direction de la tige
Par ailleurs il peut y avoir des fuites volumeacutetriques internes et externes dans les veacuterins et qui
sont indeacutesirables car elles reacuteduisent la dureacutee de vie et le rendement des veacuterins La fuite interne
est en fait un eacutecoulement de lrsquohuile de la chambre agrave haute pression vers la chambre agrave basse
pression qui est due au jeu entre le corps du piston et la paroi interne du cylindre Il peut
eacutegalement y avoir une fuite externe due au jeu entre la tige du piston et la tecircte du cylindre Pour
reacuteduire ces fuites on installe des joints drsquoeacutetancheacuteiteacutes sur le corps du piston et sur la tecircte du
cylindre
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees)
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Leacutegende
1 Cylindre 5 Chambre de refoulement
2 Piston A Orifice drsquoadmission
3 Tige R Orifice de refoulement
4 Chambre drsquoadmission
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin
La principale caracteacuteristique des veacuterins est lrsquoaire effective sur laquelle le fluide exerce une
pression Les aires effectives du corps du piston (cocircteacute fond du veacuterin et cocircteacute tecircte du veacuterin) sont
diffeacuterentes agrave cause de la preacutesence de la tige sur une seule face du corps du piston Par
conseacutequent pour des mecircmes pressions drsquoadmission la force de contraction est plus faible que
la force drsquoextension Les eacutequations ci-dessous servent agrave convertir les forces (lb) en pression
(psi) selon le sens drsquoapplication du veacuterin
Calcul pour la conversion force-pression
Diamegravetre du piston6 25 po
Diamegravetre de la tige 15 po
lowast egrave
4lowast 25po
449087
lowast egrave
4lowast 15po
417671
ocirc eacute ecirc eacute
ocirc eacute eacute
6 Bore est le terme eacutequivalent du corps du piston
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins
Marque Numeacutero de seacuterie Type drsquoorifices Poids
(livres)
Pression
maximale
(pouce)
HY-SPEC HYS 25FEM24-NW SAE-8 40 3000 PSI
3414 Manomegravetre
Actuellement les pressions exerceacutees dans le bloc manifold et dans chaque chambre des veacuterins
sont mesureacutees agrave lrsquoaide de manomegravetre agrave glyceacuterine
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine
Marque Numeacutero de seacuterie Localisation Diamegravetre
(pouce)
Connexion Eacutechelle du
cadran
(PSI)
HY-
SPEC
HYSG22LXB3000PSI-
14NPT
Bloc
manifold
25
frac14 NPT
0 agrave 3000
HY-
SPEC
HYSG22LXB5000PSI-
14NPT
2 par veacuterin 0 agrave 5000
G
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3415 Les distributeurs
Dans le systegraveme hydraulique les distributeurs (valves de distribution) sont les composantes
actives (modulateurs) qui permettent la distribution du flux drsquoeacutenergie vers les 2 veacuterins
(reacutecepteurs) pour les libeacuterer les arrecircter ou les reacutetracter Sur les trois distributeurs installeacutes sur le
banc drsquoessai seuls 2 drsquoentre eux sont utiliseacutes Le troisiegraveme distributeur a eacuteteacute installeacute au cas ougrave
un troisiegraveme veacuterin serait neacutecessaire pour reacutealiser des tests futurs drsquoapregraves lrsquoopeacuterateur du banc
drsquoessai Il srsquoagit de distributeurs agrave tiroir (de type coulissant) agrave quatre orifices et agrave trois positions
agrave action piloteacutee agrave commande eacutelectrique par soleacutenoiumldes et agrave centrage par ressort de rappel
En alimentant lrsquoun des deux soleacutenoiumldes avec un courant eacutelectrique le tiroir du distributeur se
deacuteplace et lrsquohuile circule par des canaux internes de la valve vers lrsquoune des extreacutemiteacutes du tiroir
principal pendant que lrsquoautre extreacutemiteacute de ce tiroir est raccordeacutee au reacuteservoir du systegraveme par
lrsquoaction du distributeur pilote La pression qui srsquoexerce sur la face du tiroir principal engendre
une force qui pousse ce dernier et le maintien en position agrave voies parallegraveles ou en position agrave
voies croiseacutees En alternant entre la position agrave voies parallegraveles et la position agrave voies croiseacutees le
sens de lrsquoeacutecoulement du fluide dans le veacuterin change et donc le sens de lrsquoapplication de la force
Par ailleurs lorsque les deux soleacutenoiumldes du distributeur ne sont plus alimenteacutes par un courant
eacutelectrique le tiroir principal revient agrave sa position de repos gracircce agrave la pousseacutee du ressort de
rappel Puisqursquoil srsquoagit de distributeurs agrave centre fermeacute lrsquohuile ne peut alors plus circuler dans
les distributeurs et ecirctre achemineacutee dans les veacuterins
Figure 18 Les trois positions des distributeurs
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Leacutegende
T Orifice du reacuteservoir
P Orifice de la pompe
A amp B Admission et refoulement
1 Tiroir
2 Corps de valve
3 Ressort de rappel
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute
Figure 20 Photos des 3 distributeurs
Marque Numeacutero de seacuterie Tension
(V)
Deacutebit
max
(GPM)
Pression admissible
(PSI)
HY-
SPEC
HYSFW-02-3C2-
B110-Z5L-50
24 DC 9 4750
(Orifice A B P)
2320
(Orifice T)
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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La commande des distributeurs
Actuellement lrsquoalimentation des soleacutenoiumldes en courant se fait via deux manettes de controcircle
On retrouve sur ces manettes au total 6 boutons qui permettent lrsquoactivation de chacun des
soleacutenoiumldes Le soleacutenoiumlde demeure alimenteacute tant que lrsquoopeacuterateur exerce une pression sur le
bouton Eacutevidemment ces manettes deviendront inutiles lorsque les soleacutenoiumldes seront alimenteacutes
par lrsquoautomate programmable dans la solution finale
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle
Marque Numeacutero de seacuterie Nombre de boutons
HY-SPEC
HYST90009-3P 2
HYST90012-3P 4
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle
Figure 22 Boicircte de conversion7 entre la manette et le distributeur
7 Aucune speacutecification nrsquoest disponible pour la boicircte de conversion des manettes de controcircle
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3416 Limiteurs de deacutebit
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit
Les limiteurs de deacutebit permettent de controcircler les deacutebits drsquoalimentation des veacuterins et par ce fait
les vitesses de sortie et de rentreacutee des tiges des deux veacuterins Pour y arriver ces valves reacutegulent
le deacutebit du fluide en diminuant la section de lrsquoouverture emprunteacutee par celui-ci Le deacutebit est
proportionnel agrave cette ouverture et agrave la racine carreacutee de la perte de charge Sur le banc drsquoessai on
retrouve 2 eacutetrangleurs reacuteglables agrave pointeau par veacuterin Lrsquoeacutetrangleur agrave pointeau est coupleacute dans le
mecircme corps de la valve avec un clapet de retenue avec ressort8 pour que le deacutebit ne soit limiteacute
que dans un seul sens de lrsquoeacutecoulement
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort
Marque Numeacutero de seacuterie Type
Vickers DGMFN-3-Y-A2W-B2W-41 Port double
8 Il y a ouverture du clapet si la pression drsquoentreacutee est supeacuterieure agrave la somme de la pression de sortie et de la pression du ressort
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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VincentWLeliegravevre Hiver2011 59
BIBLIOGRAPHIE
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
x
LISTE DES ABREacuteVIATIONS
API Automate programmable industriel
PLC Programmable Logic Controller (eacutequivalent anglais de API)
CPU Central Processing Unit (eacutequivalent anglais de processeur)
ES EntreacuteeSortie
GRAFCET Graphe fonctionnel de commande drsquoeacutetape-transition
PID Proportionnel inteacutegral deacuteriveacute
GEMMA Guide drsquoeacutetude des modes de marches et arrecircts
CA Courant alternatif
CC Courant continu
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INTRODUCTION
Le preacutesent document est le fruit du travail effectueacute dans le cadre du projet drsquoeacutetude en
ingeacutenierie Le projet en question est reacutealiseacute pour Amobi un manufacturier de siegraveges
pneumatiques ergonomiques haut de gamme pour camions autobus et eacutequipements industriels
Les clients drsquoAmobi deacutesirent que les siegraveges installeacutes dans leurs veacutehicules soient conformes aux
normes de seacutecuriteacute volontaire1 des CMVSS no 207 et 210 de Transport Canada Lrsquoobjectif
principal de ce projet est de concevoir une uniteacute de controcircle pour reacutesoudre les restrictions
majeures que rencontre le banc drsquoessai preacutesentement Le banc drsquoessai actuel ne permet pas de
respecter la proceacutedure des tests et il est difficile agrave opeacuterer Pour atteindre cet objectif la seacutelection
des composantes hydrauliques et eacutelectroniques la conception du circuit hydraulique de la
solution finale lrsquoeacutecriture du programme de lrsquouniteacute de controcircle et la conception drsquoune interface
homme-machine doivent ecirctre effectueacutees
1 Une norme volontaire nrsquoa pas agrave ecirctre obligatoirement respecteacutee comparativement aux lois et regraveglements dicteacutes par les gouvernements provinciaux et feacutedeacuteraux La plupart du temps lrsquoentreprise consent agrave adheacuterer agrave ces normes autoreacuteglementaires puisque cela preacutesente plus davantages que dinconveacutenients
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1 EacuteTUDE DES BESOINS ET MANDAT
Cette section documente tous les renseignements obtenus lors de la collecte de donneacutees
11 Preacutesentation de lrsquoentreprise
Lrsquoentreprise pour laquelle le projet est reacutealiseacute est Amobi Cette compagnie fait partie du
Groupe Dion qui possegravede plusieurs divisions soit industrielles (Pro-AB Eacutequipement TNO
Dion Peinture Industrielle Amobi Acces Industriel Access Mining Services) automobiles
(Action Kia Acces Toyota Hino Nord-Ouest Location Dion Au Carrossier) et de produits
reacutecreacuteatifs (Eacutequipement TNO Marine Lamy et Amobi) Amobi est un manufacturier de siegraveges
pneumatiques ergonomiques haut de gamme pour camions autobus et eacutequipements industriels
Amobi fabrique eacutegalement des toiles protectrices multiusages pour bateaux pontons motos
tracteurs et motoneiges Dans ce travail et dans ceux qui suivront nous ne traiterons toutefois
pas davantage de ces derniers puisque notre projet relegraveve plutocirct du deacutepartement qui srsquooccupe de
la fabrication des siegraveges Amobi dessert le marcheacute canadien mais exporte aussi ces siegraveges agrave des
agents manufacturiers et des distributeurs disperseacutes dans diffeacuterentes reacutegions des Eacutetats-Unis La
figure 2 preacutesente la gamme de siegraveges fabriqueacutee par Amobi
Figure 1 Modegraveles de siegraveges fabriqueacutes par Amobi
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12 Description du produit
Les siegraveges fabriqueacutes par Amobi sont constitueacutes de plusieurs ballons indeacutependants qui se
gonflent pour srsquoadapter agrave la masse et agrave la taille du conducteur Ces ballons apportent un support
dorsal et lateacuteral qui combineacute agrave la base pneumatique agrave amortisseurs permet de diminuer
lrsquoimpact des chocs et des vibrations creacuteeacutes par la route sur le corps du conducteur
Ces siegraveges sont entiegraverement reacuteglables crsquoest-agrave-dire que des manettes de controcircle permettent
lrsquoajustement de nombreux points selon les preacutefeacuterences du conducteur la position avant-arriegravere
du siegravege la profondeur et lrsquoinclinaison de lrsquoassise lrsquoinclinaison du dossier la forme de lrsquoassise
et du dossier la hauteur du siegravege et la suspension de la base du siegravege Les produits fabriqueacutes par
Amobi sont tregraves durables car ils doivent tenir aussi longtemps que le veacutehicule dans lequel ils
seront installeacutes De plus ils doivent aussi reacutesister agrave des ajustements tregraves freacutequents puisque ces
veacutehicules sont souvent conduits par un grand nombre de personnes diffeacuterentes
La majoriteacute des piegraveces composant les siegraveges sont fabriqueacutees par des sous-traitants
Lrsquoassemblage du produit final est cependant entiegraverement fait chez Amobi Crsquoest aussi lagrave que se
fait la conception lrsquoameacutelioration et le test des produits fabriqueacutes
Figure 2 Cellules pneumatiques gonflables dans le siegravege Tech 3001
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13 Description du proceacutedeacute
Les produits drsquoAmobi sont faits selon les besoins des clients et la majoriteacute de ceux-ci deacutesirent
que les siegraveges installeacutes dans leurs veacutehicules soient conformes aux normes volontaires de
Transport Canada Pour srsquoassurer de cette conformiteacute la compagnie doit tester elle-mecircme ses
siegraveges avant drsquoen produire un grand nombre lorsqursquoil srsquoagit drsquoun nouveau concept ou drsquoun
concept existant dont on a modifieacute des composantes structurales Crsquoest pourquoi Amobi srsquoest
doteacute drsquoun banc drsquoessai pour siegravege visant agrave tester la conformiteacute aux Normes de seacutecuriteacute des
veacutehicules automobiles du Canada (NSVAC ou CMVSS - Canada Motor Vehicle Safety
Standards) no 207 et 210
Les essais effectueacutes visent agrave tester la reacuteaction du siegravege et de son ancrage agrave diffeacuterentes forces
appliqueacutees sur celui-ci Le banc est donc constitueacute drsquoun cadre de meacutetal sur lequel est installeacute un
exemple drsquoancrage de siegravege fourni par la compagnie Novabus client drsquoAmobi ainsi que drsquoune
uniteacute composeacutee de deux cylindres hydrauliques pour appliquer les forces en question
Figure 3 Banc drsquoessai agrave lrsquoœuvre sur un siegravege de la compagnie Amobi chez PMG Technologies agrave Blainville
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14 Mise en contexte de la probleacutematique
Preacutesentement lrsquoentreprise a un banc drsquoessai qui est utiliseacute pour effectuer les tests normatifs
exigeacutes par les normes CMVSS 207 et 210 Lrsquouniteacute de controcircle utiliseacute jusqursquoagrave ce jour preacutesente
des restrictions majeures tel que
1 Seule une personne expeacuterimenteacutee dans le controcircle des valves soleacutenoiumldes est apte agrave
opeacuterer le banc de faccedilon acceptable Le banc drsquoessai ne dispose pas drsquoune interface
homme-machine conviviale
2 Le controcircle des forces appliqueacutees par les veacuterins hydrauliques se fait par le reacuteglage des
valves Les forces ne sont pas appliqueacutees instantaneacutement
3 Le banc drsquoessai actuel ne permet pas drsquoappliquer deux forces simultaneacutement sur le
siegravege
4 Il y a un leacuteger deacuteplacement du siegravege pendant lrsquoopeacuteration du banc drsquoessai ce qui fait en
sorte que les forces reacuteelles appliqueacutees par les cylindres ne demeurent pas constantes
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai doit continuellement surveiller plusieurs manomegravetres et
ajuster la pression dans les cylindres pour corriger les effets de cette perturbation
5 La mesure des pressions deacuteployeacutees est peacutenible agrave cause de lrsquoimpreacutecision de lrsquoeacutechelle des
cadrans des manomegravetres Il est ainsi impossible drsquoopeacuterer le banc drsquoessai agrave basse
pression
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15 Objectifs contraintes et restrictions
Lrsquoobjectif principal de ce projet est de concevoir une uniteacute de controcircle reacutesolvant les restrictions
majeures que rencontre le banc drsquoessai preacutesentement En drsquoautres mots Amobi veut disposer
drsquoun banc drsquoessai permettant drsquoeffectuer tous les tests relieacutes aux normes CMVSS 207-210 en
gagnant en flexibiliteacute et faciliteacute drsquoutilisation Drsquoautre part lrsquoune des contraintes de ce projet est
lrsquoadaptation de la solution recommandeacutee sur le banc drsquoessai existant Il y a eacutegalement une
contrainte moneacutetaire puisque lrsquoinvestissement total de lrsquoensemble de la solution ne doit pas
deacutepasser 8000 $ Le client est agrave la recherche drsquoune solution la plus abordable possible puisque
le banc drsquoessai nrsquoest utiliseacute que quelques fois par anneacutee
16 Formulation du mandat
Les tacircches du mandat de ce projet sont les suivantes
1 Analyser lrsquouniteacute actuelle
2 Concevoir une uniteacute de controcircle incluant
La seacutelection des composantes hydrauliques et eacutelectroniques
Le plan du circuit hydraulique de la solution finale
Le programme de lrsquouniteacute de controcircle
3 Concevoir une interface homme-machine conviviale
4 Reacutediger un mode drsquoemploi pour lrsquoutilisation du banc drsquoessai
5 Eacutevaluer le budget neacutecessaire pour fabriquer la nouvelle uniteacute
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17 Normes applicables
La compagnie SRD Bolduc Inc a preacutepareacute en 2005 pour Amobi un document deacutecrivant les
proceacutedures agrave suivre les informations agrave rapporter et le format des rapports drsquoessais requis pour
deacutemontrer la conformiteacute de siegraveges de veacutehicules aux normes de seacutecuriteacute des veacutehicules
automobiles du Canada NSVACCMVSS no 207 (ancrage des siegraveges) et 210 (ancrage de
ceinture de seacutecuriteacute) Vous retrouvez ci-dessous la description des trois tests normatifs qui
doivent ecirctre effectueacutes sur les siegraveges que lrsquoon deacutesire tester
Test No 1ndash Application de la force produisant un couple [NSVAC 207 1(b)ii(A)]
Figure 4 Point drsquoapplication de la force
Eacutetape 1
Appliquer une charge (en livres) eacutegale agrave 3300 diviseacutee par la distance laquo D raquo La distance laquo D raquo
eacutetant la distance en pouces entre le point de reacutefeacuterence assise2 et la piegravece transversale la plus
eacuteleveacutee du dossier ou de la partie supeacuterieure du dossier La charge doit ecirctre appliqueacutee sur la
partie transversale la plus eacuteleveacutee du dossier et vers lrsquoarriegravere agrave un angle de 0 degreacute
Eacutetape 2
Relacirccher la charge
2 La meacutethode pour deacuteterminer le point de reacutefeacuterence assise est expliqueacutee en annexe
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Test No 2ndash Application de la charge vers lrsquoarriegravere [NSVAC 207 1(a)i(B)]
Figure 5 Point dapplication de la force
Eacutetape 1
Appliquer une charge (en livres) eacutegale agrave 20 fois le poids du siegravege sur un intervalle de temps de
29 secondes La charge doit ecirctre appliqueacutee au centre de graviteacute du siegravege et vers lrsquoarriegravere agrave un
angle de 0 degreacute
Eacutetape 2
Maintenir la charge pendant au moins 10 secondes
Eacutetape 3
Relacirccher la charge
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Test No 3ndash Application simultaneacutee des forces [NSVAC 207 1(a)ii]
Figure 6 Points drsquoapplication des charges
Eacutetape 1
Appliquer 2 charges simultaneacutement sur un intervalle de temps de 29 secondes
- La premiegravere charge (en livres) est eacutegale agrave 20 fois le poids du siegravege et est appliqueacutee au
centre de graviteacute du siegravege vers lrsquoavant agrave un angle de 0 degreacute
- La valeur de la seconde charge deacutepend du type de ceinture installeacutee sur le siegravege Srsquoil
srsquoagit drsquoune ceinture de type I3 la charge agrave appliquer est de 5000 livres Si la ceinture
est de type II4 la charge agrave appliquer est de 3000 livres Cette charge doit ecirctre appliqueacutee
par le biais drsquoune forme de corps retenue par la ceinture de seacutecuriteacute du veacutehicule agrave un
angle compris entre 5 et 10 degreacutes de lrsquohorizontale
Eacutetape 2
Maintenir les charges pendant au moins 10 secondes
Eacutetape 3
Relacirccher les charges
3 Ceinture de seacutecuriteacute agrave 2 points drsquoancrage ougrave une seule sangle est raccordeacutee de chaque cocircteacute du bassin 4 Ceinture de seacutecuriteacute agrave 3 points drsquoancrage ougrave la sangle agrave deux points remonte en travers la poitrine du passager
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2 CADRE THEacuteORIQUE ET EacuteLABORATION DES HYPOTHEgraveSES
21 Cadre theacuteorique
Tout systegraveme agrave fluide sous pression comme celui du banc drsquoessai est toujours composeacute de trois
types de composantes soit
‐ Les composantes actives qui convertissent et modulent lrsquoeacutenergie
‐ Les composantes de liaison qui acheminent lrsquoeacutenergie drsquoune composante active agrave une
autre du moteur agrave la charge
‐ Les composantes passives qui exercent des fonctions secondaires mais qui sont
essentielles pour assurer le bon fonctionnement du systegraveme
Figure 7 Diagramme des principales composantes dun systegraveme hydraulique
211 Composantes actives
2111 Geacuteneacuterateurs
Sur le banc drsquoessai crsquoest la pompe (geacuteneacuterateur pour les liquides) qui produit lrsquoeacutenergie fluide
(volume de fluide sous pression) La puissance fluide est le taux de variation de cette eacutenergie
fluide et est obtenue en multipliant le deacutebit Q et la pression p du fluide
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La pompe se caracteacuterise par sa cylindreacutee D qui deacutepend du volume de fluide refouleacute par uniteacute
de deacuteplacement angulaire de lrsquoarbre (tour ou radian) Les variables de sortie Q et P peuvent ecirctre
exprimeacutees en fonction des variables drsquoentreacutee ωi et Ti selon les eacutequations suivantes
Q ω D
ougrave Q = deacutebit (m3s)
ωi = vitesse angulaire (rads)
D = cylindreacutee (m3rad)
p = pression (Pa)
Ti = couple (Nm)
En consideacuterant la pompe comme un geacuteneacuterateur ideacuteal permettant de transformer lrsquoeacutenergie fluide
sans aucune perte on peut affirmer que la puissance fluide P au refoulement est eacutegale agrave la
puissance meacutecanique drsquoentreacutee Pi soit
ougrave
ougrave Pi est exprimeacute en watts
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2112 Modulateurs
Les modulateurs dans le systegraveme hydraulique sont les valves de direction (distributeurs) les
valves de pression et les valves de deacutebit Sur le banc drsquoessai les valves de direction
(distributeurs) permettent de diriger le fluide drsquoun cocircteacute ou de lrsquoautre dans les veacuterins
(reacutecepteurs) pour qursquoils puissent travailler dans la direction voulue
Les valves de pression et les valves de deacutebit servent respectivement agrave controcircler la pression et le
deacutebit du fluide qui est livreacute aux reacutecepteurs (veacuterins) Lorsque lrsquohuile hydraulique traverse une
valve de pression le fluide est soumis agrave une reacuteduction de pression (de p agrave prsquo) et lorsque cette
huile traverse une valve de deacutebit elle subit une limitation de deacutebit (de Q agrave Qrsquo)
2113 Reacutecepteurs
Les reacutecepteurs dans le systegraveme hydraulique sont agrave mouvement lineacuteaire Les veacuterins sont des
reacutecepteurs qui absorbent lrsquoeacutenergie fluide et la transforment pour produire un travail meacutecanique
en translation Le veacuterin reccediloit le fluide sous pression et en extrait lrsquoeacutenergie avant de le renvoyer
vers le reacuteservoir Le veacuterin est caracteacuteriseacute par une aire A Ainsi on peut exprimer les deux
variables de sortie vo et Fo en fonction des deux variables drsquoentreacutee prsquo et Qrsquo selon les eacutequations
suivantes
prime
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Dans le cas drsquoun veacuterin ideacuteal on peut eacutecrire
Soit
Ougrave vo = vitesse (ms)
A = aire effective (m2)
Fo = force (N)
212 Composantes de liaison
Dans le systegraveme hydraulique les composantes de liaison sont le fluide lui-mecircme et les diverses
canalisations Lrsquohuile hydraulique (fluide) sert agrave transporter lrsquoeacutenergie fluide mais aussi agrave
lubrifier les piegraveces mobiles des veacuterins Cette huile circule dans les canalisations drsquoune
composante agrave une autre Pour eacuteviter drsquoinfluencer lrsquoefficaciteacute et la fiabiliteacute du systegraveme
hydraulique on doit bien choisir dimensionner et installer les canalisations
213 Composantes passives
Les composantes passives du systegraveme hydraulique sont respectivement le reacuteservoir de la pompe
qui permet le stockage de lrsquohuile et la creacutepine qui est un filtre grossier qui protegravege le fluide
contre les polluants externes
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22 Eacutelaboration des hypothegraveses
Voici toutes les hypothegraveses qui ont eacuteteacute poseacutees dans le cadre de ce projet
- La pompe fournie suffisamment de puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins
simultaneacutement
- Les pertes volumeacutetriques dans le circuit sont consideacutereacutees comme eacutetant neacutegligeables
- La pompe se deacutecharge par une valve de mise agrave vide lorsque les veacuterins sont au repos
- Le troisiegraveme distributeur installeacute par Geacuteliko Inc est inutile actuellement
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3 MISE EN ŒUVRE DU MANDAT
31 La recherche de solutions
311 Solution No 1 - Automate programmable
Un automate programmable industriel (API) est un dispositif eacutelectronique qui exerce des
fonctions de controcircle de processus industriels Sa fonction est drsquoenvoyer des commandes aux
preacuteactionneurs (ex les valves) agrave partir des donneacutees drsquoentreacutees qui proviennent des diffeacuterents
capteurs LrsquoAPI est composeacutee drsquoune uniteacute de calculs (processeur) drsquoune alimentation ACDC
et de modules qui sont choisis selon les besoins de lrsquoapplication tel que les cartes drsquoentreacutees-
sorties les modules de communication les modules de commande etc LrsquoAPI peut ecirctre relieacutee agrave
une interface homme-machine agrave un pupitre opeacuterateur agrave une interface graphique ou agrave un
ordinateur Les langages de programmation standards de lrsquoAPI sont le Grafcet et le Ladder
Figure 8 API de marque Allen-Bradley
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Tableau 1 Avantages et inconveacutenients drsquoun automate programmable
Avantages Inconveacutenients
Peu encombrant
Temps de reacuteponse rapide
Facile agrave programmer
Consommation eacutelectrique
acceptable
Configurables et extensibles par
modules
Robuste
Dispendieux pour les petites ou
simples applications
Logiciel de programmation non
gratuit
312 Solution No 2 - Microcontrocircleur
Un microcontrocircleur est comme lrsquoAPI un dispositif eacutelectronique programmable qui peut lire des
signaux drsquoentreacutees et envoyer des signaux de commande agrave des peacuteripheacuteriques externes De plus
le microcontrocircleur rassemble dans un circuit inteacutegreacute tous les eacuteleacutements essentiels agrave son bon
fonctionnement soit le processeur la meacutemoire les uniteacutes peacuteripheacuteriques et les interfaces
drsquoentreacutees-sorties Les langages de programmation des microcontrocircleurs sont varieacutes Basic C
C++ Java etc
Figure 9 Microcontrocircleur de marque Arduino
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Tableau 2 Avantages et inconveacutenients drsquoun microcontrocircleur
Avantages Inconveacutenients
Tregraves peu encombrant
Tregraves faible consommation
eacutelectrique
Logiciel de programmation
geacuteneacuteralement gratuit
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Peu drsquoentreacuteessorties
Langages de programmation plus
contraignants que le Ladder et le
Grafcet
Non extensible
Tregraves fragile
Vitesse de fonctionnement plus
faible
313 Solution No 3 - Relais
Avant lrsquoavegravenement de lrsquoautomate programmable dans le deacutebut des anneacutees 1970 les systegravemes
eacutetaient automatiseacutes agrave lrsquoaide de relais Les relais peuvent ecirctre activeacutes et deacutesactiveacutes sans
interrupteur manuel Aujourdrsquohui les relais servent agrave reacuteduire la taille des panneaux de controcircle
des machines ou agrave creacuteer des cycles drsquoautomatismes simples Mais pour les automatismes qui
requiegraverent un grand nombre drsquoentreacutees sorties on doit remplacer le systegraveme de relayage
devenant trop complexe par un automate programmable
Figure 10 Relais meacutecanique
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Tableau 3 Avantages et inconveacutenients drsquoun relais
Avantages Inconveacutenients
Pas de programmation requise
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Tregraves encombrant
Solution non ideacuteale pour creacuteer des
cycles drsquoautomatismes complexes
Technologie vieillissante
32 Eacutelaboration du baregraveme
Le baregraveme est essentiel lors de lrsquoeacutetape de la prise de deacutecision pour accorder le pointage agrave
chaque solution et pour permettre au concepteur de se fixer des prioriteacutes de conception Le
baregraveme est conccedilu en fonction des critegraveres de qualiteacutes rechercheacutees que lrsquoon associe agrave une eacutechelle
de satisfaction avec une pondeacuteration de 1 agrave 4
Tableau 4 Baregraveme
Critegraveres Objectif 1 2 3 4 Simpliciteacute La programmation
etou lrsquoinstallation de la solution doivent ecirctre faciles
Tregraves difficile Difficile Facile Tregraves facile
Compatibiliteacute Lrsquouniteacute doit ecirctre compatible avec les eacutequipements du banc drsquoessai
Pas compatible Peu compatible Compatible Tregraves compatible
Espace Lrsquoespace requis pour installer lrsquouniteacute est limiteacute
Volume imposant Volume eacuteleveacute Volume moyen Volume neacutegligeable
Fiabiliteacute Durabiliteacute
Lrsquouniteacute doit ecirctre fiable et durable
Tregraves faible Moyennement faible
Moyennement eacuteleveacute
Eacuteleveacute
Coucirct Les contraintes budgeacutetaires doivent ecirctre respecteacutees
Tregraves dispendieux Dispendieux Abordable Tregraves abordable
Efficaciteacute eacutenergeacutetique
La consommation eacutelectrique doit diminuer
Consommation eacuteleveacutee
Consommation normale
Consommation faible
Consommation tregraves faible
Seacutecuriteacute Les risques drsquoaccident de travail doivent diminuer
Tregraves risqueacute Risqueacute Peu risqueacute Aucun risque
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33 Matrice de deacutecision Le tableau suivant preacutesente la matrice de deacutecision Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation de chacune des
solutions on a attribueacute agrave chaque critegravere une note situeacutee en 1 et 4 Les notes des critegraveres sont
multiplieacutees par leurs pondeacuterations respectives ils sont ensuite additionneacutes puis enfin diviser par
4 pour obtenir la note en pourcentage de chaque solution Selon les scores obtenus crsquoest
lrsquoautomate programmable qui est consideacutereacute comme eacutetant la meilleure uniteacute de controcircle
Tableau 5 Matrice de deacutecision
Critegraveres Pondeacuteration Solution 1 2 3
Automate programmable
Microcontrocircleur Relais
Simpliciteacute 30 4 3 1 Compatibiliteacute 20 4 2 1
Espace 5 3 4 1 FiabiliteacuteDurabiliteacute 10 4 2 1
Coucirct 15 2 4 3 Efficaciteacute
eacutenergeacutetique 5 3 4 2
Seacutecuriteacute 15 4 1 1 Reacutesultat 100 90 662 338
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34 La conception de la solution recommandeacutee
341 Eacutetude du systegraveme hydraulique existant
La preacutesente section est une eacutetude plus deacutetailleacutee portant sur les principales composantes dont est
constitueacute le banc drsquoessai actuel Lrsquoeacutetude comporte une analyse de leurs caracteacuteristiques
principales et de leurs modes de fonctionnements On y preacutesente eacutegalement les symboles
graphiques de ces composantes Cette eacutetude est une eacutetape primordiale pour pouvoir bien choisir
les nouveaux eacutequipements et concevoir le circuit hydraulique de la solution finale
3411 Ensemble pompe-moteur-reacuteservoir
Comme dans les tous systegravemes hydrauliques le banc drsquoessai dispose drsquoun ensemble pompe-
moteur-reacuteservoir La pompe transforme lrsquoeacutenergie meacutecanique fournie par le moteur eacutelectrique
rotatif en eacutenergie fluide La pompe deacutemarre degraves qursquoon branche le moteur eacutelectrique agrave la prise de
courant Vous retrouverez ci-dessous les speacutecifications de ces composantes et une photo prise
sur place de lrsquoensemble
Moteur eacutelectrique AC
Figure 11 Repreacutesentation scheacutematique du moteur eacutelectrique AC
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Tableau 6 Speacutecifications du moteur eacutelectrique
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Puissance
(HP)
Voltage
(V)
Vitesse
(RPM)
HY-SPEC MFG03 HYSW850203-1G 1 110220 1800
Pompe
Tableau 7 Speacutecifications de la pompe (supposition5)
Marque Deacutebit max
(GPM)
Pression max
(PSI)
Cylindreacutee
(cm3tr)
Inconnu 18 3200 PSI 4
Reacuteservoir
Figure 12 Repreacutesentation scheacutematique du reacuteservoir
5 Le deacutebit et la pression pouvant ecirctre fournie par la pompe sont des informations qui ont eacuteteacute fournies par
lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai mais qui ne sont pas veacuterifiables
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Tableau 8 Speacutecifications du reacuteservoir
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Volume
(L)
HY-SPEC V120 HYSW880117 12
Figure 13 Photo de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir
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3412 Bloc Manifold (bloc foreacute)
Un bloc manifold est un bloc de meacutetal avec plusieurs canaux inteacutegreacute conccedilu pour la conduite de
fluide dans des espaces confineacutes On retrouve sur le bloc des caviteacutes dans lesquelles on peut
installer diffeacuterentes composantes hydrauliques (valves manomegravetres tuyau etc)
Tableau 9 Speacutecifications du bloc manifold
Marque Numeacutero de
seacuterie
Description Nombre
de
sections
Ports Orifice
de
seacutecuriteacute
Pression
drsquoopeacuteration
maximale
(PSI)
HY-
SPEC
HYSDD03-
P-03-2SS
Type D03
Circuit
parallegravele
3 P amp T = SAE 10
A amp B = SAE 8
GA = SAE 6
T-10A 5000
Figure 14 Photo du bloc manifold
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3413 Veacuterins
Les 2 veacuterins hydrauliques utiliseacutes dans le banc drsquoessai sont des veacuterins agrave mouvement lineacuteaire et agrave
double effet (deux directions de travail) qui convertissent lrsquoeacutenergie fluide en eacutenergie
meacutecanique Chaque veacuterin est composeacute drsquoun tube cylindrique (le cylindre) dans lequel est
inseacutereacutee une piegravece mobile (le corps du piston) qui assure lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre deux chambres La
tige rigide qui est relieacutee au corps du piston sert agrave transmettre lrsquoeffort et le deacuteplacement Les
veacuterins comportent deux orifices (alimentation et refoulement) et la pression peut ecirctre appliqueacutee
de chaque cocircteacute du piston pour entraicircner son deacuteplacement dans un sens ou dans lautre Ce sont
les distributeurs qui permettent drsquointervertir les rocircles des deux orifices pour controcircler la
direction de la tige
Par ailleurs il peut y avoir des fuites volumeacutetriques internes et externes dans les veacuterins et qui
sont indeacutesirables car elles reacuteduisent la dureacutee de vie et le rendement des veacuterins La fuite interne
est en fait un eacutecoulement de lrsquohuile de la chambre agrave haute pression vers la chambre agrave basse
pression qui est due au jeu entre le corps du piston et la paroi interne du cylindre Il peut
eacutegalement y avoir une fuite externe due au jeu entre la tige du piston et la tecircte du cylindre Pour
reacuteduire ces fuites on installe des joints drsquoeacutetancheacuteiteacutes sur le corps du piston et sur la tecircte du
cylindre
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees)
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Leacutegende
1 Cylindre 5 Chambre de refoulement
2 Piston A Orifice drsquoadmission
3 Tige R Orifice de refoulement
4 Chambre drsquoadmission
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin
La principale caracteacuteristique des veacuterins est lrsquoaire effective sur laquelle le fluide exerce une
pression Les aires effectives du corps du piston (cocircteacute fond du veacuterin et cocircteacute tecircte du veacuterin) sont
diffeacuterentes agrave cause de la preacutesence de la tige sur une seule face du corps du piston Par
conseacutequent pour des mecircmes pressions drsquoadmission la force de contraction est plus faible que
la force drsquoextension Les eacutequations ci-dessous servent agrave convertir les forces (lb) en pression
(psi) selon le sens drsquoapplication du veacuterin
Calcul pour la conversion force-pression
Diamegravetre du piston6 25 po
Diamegravetre de la tige 15 po
lowast egrave
4lowast 25po
449087
lowast egrave
4lowast 15po
417671
ocirc eacute ecirc eacute
ocirc eacute eacute
6 Bore est le terme eacutequivalent du corps du piston
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Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins
Marque Numeacutero de seacuterie Type drsquoorifices Poids
(livres)
Pression
maximale
(pouce)
HY-SPEC HYS 25FEM24-NW SAE-8 40 3000 PSI
3414 Manomegravetre
Actuellement les pressions exerceacutees dans le bloc manifold et dans chaque chambre des veacuterins
sont mesureacutees agrave lrsquoaide de manomegravetre agrave glyceacuterine
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine
Marque Numeacutero de seacuterie Localisation Diamegravetre
(pouce)
Connexion Eacutechelle du
cadran
(PSI)
HY-
SPEC
HYSG22LXB3000PSI-
14NPT
Bloc
manifold
25
frac14 NPT
0 agrave 3000
HY-
SPEC
HYSG22LXB5000PSI-
14NPT
2 par veacuterin 0 agrave 5000
G
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold
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3415 Les distributeurs
Dans le systegraveme hydraulique les distributeurs (valves de distribution) sont les composantes
actives (modulateurs) qui permettent la distribution du flux drsquoeacutenergie vers les 2 veacuterins
(reacutecepteurs) pour les libeacuterer les arrecircter ou les reacutetracter Sur les trois distributeurs installeacutes sur le
banc drsquoessai seuls 2 drsquoentre eux sont utiliseacutes Le troisiegraveme distributeur a eacuteteacute installeacute au cas ougrave
un troisiegraveme veacuterin serait neacutecessaire pour reacutealiser des tests futurs drsquoapregraves lrsquoopeacuterateur du banc
drsquoessai Il srsquoagit de distributeurs agrave tiroir (de type coulissant) agrave quatre orifices et agrave trois positions
agrave action piloteacutee agrave commande eacutelectrique par soleacutenoiumldes et agrave centrage par ressort de rappel
En alimentant lrsquoun des deux soleacutenoiumldes avec un courant eacutelectrique le tiroir du distributeur se
deacuteplace et lrsquohuile circule par des canaux internes de la valve vers lrsquoune des extreacutemiteacutes du tiroir
principal pendant que lrsquoautre extreacutemiteacute de ce tiroir est raccordeacutee au reacuteservoir du systegraveme par
lrsquoaction du distributeur pilote La pression qui srsquoexerce sur la face du tiroir principal engendre
une force qui pousse ce dernier et le maintien en position agrave voies parallegraveles ou en position agrave
voies croiseacutees En alternant entre la position agrave voies parallegraveles et la position agrave voies croiseacutees le
sens de lrsquoeacutecoulement du fluide dans le veacuterin change et donc le sens de lrsquoapplication de la force
Par ailleurs lorsque les deux soleacutenoiumldes du distributeur ne sont plus alimenteacutes par un courant
eacutelectrique le tiroir principal revient agrave sa position de repos gracircce agrave la pousseacutee du ressort de
rappel Puisqursquoil srsquoagit de distributeurs agrave centre fermeacute lrsquohuile ne peut alors plus circuler dans
les distributeurs et ecirctre achemineacutee dans les veacuterins
Figure 18 Les trois positions des distributeurs
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Leacutegende
T Orifice du reacuteservoir
P Orifice de la pompe
A amp B Admission et refoulement
1 Tiroir
2 Corps de valve
3 Ressort de rappel
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute
Figure 20 Photos des 3 distributeurs
Marque Numeacutero de seacuterie Tension
(V)
Deacutebit
max
(GPM)
Pression admissible
(PSI)
HY-
SPEC
HYSFW-02-3C2-
B110-Z5L-50
24 DC 9 4750
(Orifice A B P)
2320
(Orifice T)
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La commande des distributeurs
Actuellement lrsquoalimentation des soleacutenoiumldes en courant se fait via deux manettes de controcircle
On retrouve sur ces manettes au total 6 boutons qui permettent lrsquoactivation de chacun des
soleacutenoiumldes Le soleacutenoiumlde demeure alimenteacute tant que lrsquoopeacuterateur exerce une pression sur le
bouton Eacutevidemment ces manettes deviendront inutiles lorsque les soleacutenoiumldes seront alimenteacutes
par lrsquoautomate programmable dans la solution finale
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle
Marque Numeacutero de seacuterie Nombre de boutons
HY-SPEC
HYST90009-3P 2
HYST90012-3P 4
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle
Figure 22 Boicircte de conversion7 entre la manette et le distributeur
7 Aucune speacutecification nrsquoest disponible pour la boicircte de conversion des manettes de controcircle
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3416 Limiteurs de deacutebit
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit
Les limiteurs de deacutebit permettent de controcircler les deacutebits drsquoalimentation des veacuterins et par ce fait
les vitesses de sortie et de rentreacutee des tiges des deux veacuterins Pour y arriver ces valves reacutegulent
le deacutebit du fluide en diminuant la section de lrsquoouverture emprunteacutee par celui-ci Le deacutebit est
proportionnel agrave cette ouverture et agrave la racine carreacutee de la perte de charge Sur le banc drsquoessai on
retrouve 2 eacutetrangleurs reacuteglables agrave pointeau par veacuterin Lrsquoeacutetrangleur agrave pointeau est coupleacute dans le
mecircme corps de la valve avec un clapet de retenue avec ressort8 pour que le deacutebit ne soit limiteacute
que dans un seul sens de lrsquoeacutecoulement
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort
Marque Numeacutero de seacuterie Type
Vickers DGMFN-3-Y-A2W-B2W-41 Port double
8 Il y a ouverture du clapet si la pression drsquoentreacutee est supeacuterieure agrave la somme de la pression de sortie et de la pression du ressort
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
Vinc
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bloc foreacute
nomegravetres
tibiliteacute et
modegraveles
epose sur
ndeacutee par
force de
ortie est
e via un
puisqursquoil
200 mA agrave miteurs de
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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INTRODUCTION
Le preacutesent document est le fruit du travail effectueacute dans le cadre du projet drsquoeacutetude en
ingeacutenierie Le projet en question est reacutealiseacute pour Amobi un manufacturier de siegraveges
pneumatiques ergonomiques haut de gamme pour camions autobus et eacutequipements industriels
Les clients drsquoAmobi deacutesirent que les siegraveges installeacutes dans leurs veacutehicules soient conformes aux
normes de seacutecuriteacute volontaire1 des CMVSS no 207 et 210 de Transport Canada Lrsquoobjectif
principal de ce projet est de concevoir une uniteacute de controcircle pour reacutesoudre les restrictions
majeures que rencontre le banc drsquoessai preacutesentement Le banc drsquoessai actuel ne permet pas de
respecter la proceacutedure des tests et il est difficile agrave opeacuterer Pour atteindre cet objectif la seacutelection
des composantes hydrauliques et eacutelectroniques la conception du circuit hydraulique de la
solution finale lrsquoeacutecriture du programme de lrsquouniteacute de controcircle et la conception drsquoune interface
homme-machine doivent ecirctre effectueacutees
1 Une norme volontaire nrsquoa pas agrave ecirctre obligatoirement respecteacutee comparativement aux lois et regraveglements dicteacutes par les gouvernements provinciaux et feacutedeacuteraux La plupart du temps lrsquoentreprise consent agrave adheacuterer agrave ces normes autoreacuteglementaires puisque cela preacutesente plus davantages que dinconveacutenients
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1 EacuteTUDE DES BESOINS ET MANDAT
Cette section documente tous les renseignements obtenus lors de la collecte de donneacutees
11 Preacutesentation de lrsquoentreprise
Lrsquoentreprise pour laquelle le projet est reacutealiseacute est Amobi Cette compagnie fait partie du
Groupe Dion qui possegravede plusieurs divisions soit industrielles (Pro-AB Eacutequipement TNO
Dion Peinture Industrielle Amobi Acces Industriel Access Mining Services) automobiles
(Action Kia Acces Toyota Hino Nord-Ouest Location Dion Au Carrossier) et de produits
reacutecreacuteatifs (Eacutequipement TNO Marine Lamy et Amobi) Amobi est un manufacturier de siegraveges
pneumatiques ergonomiques haut de gamme pour camions autobus et eacutequipements industriels
Amobi fabrique eacutegalement des toiles protectrices multiusages pour bateaux pontons motos
tracteurs et motoneiges Dans ce travail et dans ceux qui suivront nous ne traiterons toutefois
pas davantage de ces derniers puisque notre projet relegraveve plutocirct du deacutepartement qui srsquooccupe de
la fabrication des siegraveges Amobi dessert le marcheacute canadien mais exporte aussi ces siegraveges agrave des
agents manufacturiers et des distributeurs disperseacutes dans diffeacuterentes reacutegions des Eacutetats-Unis La
figure 2 preacutesente la gamme de siegraveges fabriqueacutee par Amobi
Figure 1 Modegraveles de siegraveges fabriqueacutes par Amobi
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12 Description du produit
Les siegraveges fabriqueacutes par Amobi sont constitueacutes de plusieurs ballons indeacutependants qui se
gonflent pour srsquoadapter agrave la masse et agrave la taille du conducteur Ces ballons apportent un support
dorsal et lateacuteral qui combineacute agrave la base pneumatique agrave amortisseurs permet de diminuer
lrsquoimpact des chocs et des vibrations creacuteeacutes par la route sur le corps du conducteur
Ces siegraveges sont entiegraverement reacuteglables crsquoest-agrave-dire que des manettes de controcircle permettent
lrsquoajustement de nombreux points selon les preacutefeacuterences du conducteur la position avant-arriegravere
du siegravege la profondeur et lrsquoinclinaison de lrsquoassise lrsquoinclinaison du dossier la forme de lrsquoassise
et du dossier la hauteur du siegravege et la suspension de la base du siegravege Les produits fabriqueacutes par
Amobi sont tregraves durables car ils doivent tenir aussi longtemps que le veacutehicule dans lequel ils
seront installeacutes De plus ils doivent aussi reacutesister agrave des ajustements tregraves freacutequents puisque ces
veacutehicules sont souvent conduits par un grand nombre de personnes diffeacuterentes
La majoriteacute des piegraveces composant les siegraveges sont fabriqueacutees par des sous-traitants
Lrsquoassemblage du produit final est cependant entiegraverement fait chez Amobi Crsquoest aussi lagrave que se
fait la conception lrsquoameacutelioration et le test des produits fabriqueacutes
Figure 2 Cellules pneumatiques gonflables dans le siegravege Tech 3001
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13 Description du proceacutedeacute
Les produits drsquoAmobi sont faits selon les besoins des clients et la majoriteacute de ceux-ci deacutesirent
que les siegraveges installeacutes dans leurs veacutehicules soient conformes aux normes volontaires de
Transport Canada Pour srsquoassurer de cette conformiteacute la compagnie doit tester elle-mecircme ses
siegraveges avant drsquoen produire un grand nombre lorsqursquoil srsquoagit drsquoun nouveau concept ou drsquoun
concept existant dont on a modifieacute des composantes structurales Crsquoest pourquoi Amobi srsquoest
doteacute drsquoun banc drsquoessai pour siegravege visant agrave tester la conformiteacute aux Normes de seacutecuriteacute des
veacutehicules automobiles du Canada (NSVAC ou CMVSS - Canada Motor Vehicle Safety
Standards) no 207 et 210
Les essais effectueacutes visent agrave tester la reacuteaction du siegravege et de son ancrage agrave diffeacuterentes forces
appliqueacutees sur celui-ci Le banc est donc constitueacute drsquoun cadre de meacutetal sur lequel est installeacute un
exemple drsquoancrage de siegravege fourni par la compagnie Novabus client drsquoAmobi ainsi que drsquoune
uniteacute composeacutee de deux cylindres hydrauliques pour appliquer les forces en question
Figure 3 Banc drsquoessai agrave lrsquoœuvre sur un siegravege de la compagnie Amobi chez PMG Technologies agrave Blainville
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14 Mise en contexte de la probleacutematique
Preacutesentement lrsquoentreprise a un banc drsquoessai qui est utiliseacute pour effectuer les tests normatifs
exigeacutes par les normes CMVSS 207 et 210 Lrsquouniteacute de controcircle utiliseacute jusqursquoagrave ce jour preacutesente
des restrictions majeures tel que
1 Seule une personne expeacuterimenteacutee dans le controcircle des valves soleacutenoiumldes est apte agrave
opeacuterer le banc de faccedilon acceptable Le banc drsquoessai ne dispose pas drsquoune interface
homme-machine conviviale
2 Le controcircle des forces appliqueacutees par les veacuterins hydrauliques se fait par le reacuteglage des
valves Les forces ne sont pas appliqueacutees instantaneacutement
3 Le banc drsquoessai actuel ne permet pas drsquoappliquer deux forces simultaneacutement sur le
siegravege
4 Il y a un leacuteger deacuteplacement du siegravege pendant lrsquoopeacuteration du banc drsquoessai ce qui fait en
sorte que les forces reacuteelles appliqueacutees par les cylindres ne demeurent pas constantes
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai doit continuellement surveiller plusieurs manomegravetres et
ajuster la pression dans les cylindres pour corriger les effets de cette perturbation
5 La mesure des pressions deacuteployeacutees est peacutenible agrave cause de lrsquoimpreacutecision de lrsquoeacutechelle des
cadrans des manomegravetres Il est ainsi impossible drsquoopeacuterer le banc drsquoessai agrave basse
pression
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15 Objectifs contraintes et restrictions
Lrsquoobjectif principal de ce projet est de concevoir une uniteacute de controcircle reacutesolvant les restrictions
majeures que rencontre le banc drsquoessai preacutesentement En drsquoautres mots Amobi veut disposer
drsquoun banc drsquoessai permettant drsquoeffectuer tous les tests relieacutes aux normes CMVSS 207-210 en
gagnant en flexibiliteacute et faciliteacute drsquoutilisation Drsquoautre part lrsquoune des contraintes de ce projet est
lrsquoadaptation de la solution recommandeacutee sur le banc drsquoessai existant Il y a eacutegalement une
contrainte moneacutetaire puisque lrsquoinvestissement total de lrsquoensemble de la solution ne doit pas
deacutepasser 8000 $ Le client est agrave la recherche drsquoune solution la plus abordable possible puisque
le banc drsquoessai nrsquoest utiliseacute que quelques fois par anneacutee
16 Formulation du mandat
Les tacircches du mandat de ce projet sont les suivantes
1 Analyser lrsquouniteacute actuelle
2 Concevoir une uniteacute de controcircle incluant
La seacutelection des composantes hydrauliques et eacutelectroniques
Le plan du circuit hydraulique de la solution finale
Le programme de lrsquouniteacute de controcircle
3 Concevoir une interface homme-machine conviviale
4 Reacutediger un mode drsquoemploi pour lrsquoutilisation du banc drsquoessai
5 Eacutevaluer le budget neacutecessaire pour fabriquer la nouvelle uniteacute
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17 Normes applicables
La compagnie SRD Bolduc Inc a preacutepareacute en 2005 pour Amobi un document deacutecrivant les
proceacutedures agrave suivre les informations agrave rapporter et le format des rapports drsquoessais requis pour
deacutemontrer la conformiteacute de siegraveges de veacutehicules aux normes de seacutecuriteacute des veacutehicules
automobiles du Canada NSVACCMVSS no 207 (ancrage des siegraveges) et 210 (ancrage de
ceinture de seacutecuriteacute) Vous retrouvez ci-dessous la description des trois tests normatifs qui
doivent ecirctre effectueacutes sur les siegraveges que lrsquoon deacutesire tester
Test No 1ndash Application de la force produisant un couple [NSVAC 207 1(b)ii(A)]
Figure 4 Point drsquoapplication de la force
Eacutetape 1
Appliquer une charge (en livres) eacutegale agrave 3300 diviseacutee par la distance laquo D raquo La distance laquo D raquo
eacutetant la distance en pouces entre le point de reacutefeacuterence assise2 et la piegravece transversale la plus
eacuteleveacutee du dossier ou de la partie supeacuterieure du dossier La charge doit ecirctre appliqueacutee sur la
partie transversale la plus eacuteleveacutee du dossier et vers lrsquoarriegravere agrave un angle de 0 degreacute
Eacutetape 2
Relacirccher la charge
2 La meacutethode pour deacuteterminer le point de reacutefeacuterence assise est expliqueacutee en annexe
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Test No 2ndash Application de la charge vers lrsquoarriegravere [NSVAC 207 1(a)i(B)]
Figure 5 Point dapplication de la force
Eacutetape 1
Appliquer une charge (en livres) eacutegale agrave 20 fois le poids du siegravege sur un intervalle de temps de
29 secondes La charge doit ecirctre appliqueacutee au centre de graviteacute du siegravege et vers lrsquoarriegravere agrave un
angle de 0 degreacute
Eacutetape 2
Maintenir la charge pendant au moins 10 secondes
Eacutetape 3
Relacirccher la charge
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Test No 3ndash Application simultaneacutee des forces [NSVAC 207 1(a)ii]
Figure 6 Points drsquoapplication des charges
Eacutetape 1
Appliquer 2 charges simultaneacutement sur un intervalle de temps de 29 secondes
- La premiegravere charge (en livres) est eacutegale agrave 20 fois le poids du siegravege et est appliqueacutee au
centre de graviteacute du siegravege vers lrsquoavant agrave un angle de 0 degreacute
- La valeur de la seconde charge deacutepend du type de ceinture installeacutee sur le siegravege Srsquoil
srsquoagit drsquoune ceinture de type I3 la charge agrave appliquer est de 5000 livres Si la ceinture
est de type II4 la charge agrave appliquer est de 3000 livres Cette charge doit ecirctre appliqueacutee
par le biais drsquoune forme de corps retenue par la ceinture de seacutecuriteacute du veacutehicule agrave un
angle compris entre 5 et 10 degreacutes de lrsquohorizontale
Eacutetape 2
Maintenir les charges pendant au moins 10 secondes
Eacutetape 3
Relacirccher les charges
3 Ceinture de seacutecuriteacute agrave 2 points drsquoancrage ougrave une seule sangle est raccordeacutee de chaque cocircteacute du bassin 4 Ceinture de seacutecuriteacute agrave 3 points drsquoancrage ougrave la sangle agrave deux points remonte en travers la poitrine du passager
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2 CADRE THEacuteORIQUE ET EacuteLABORATION DES HYPOTHEgraveSES
21 Cadre theacuteorique
Tout systegraveme agrave fluide sous pression comme celui du banc drsquoessai est toujours composeacute de trois
types de composantes soit
‐ Les composantes actives qui convertissent et modulent lrsquoeacutenergie
‐ Les composantes de liaison qui acheminent lrsquoeacutenergie drsquoune composante active agrave une
autre du moteur agrave la charge
‐ Les composantes passives qui exercent des fonctions secondaires mais qui sont
essentielles pour assurer le bon fonctionnement du systegraveme
Figure 7 Diagramme des principales composantes dun systegraveme hydraulique
211 Composantes actives
2111 Geacuteneacuterateurs
Sur le banc drsquoessai crsquoest la pompe (geacuteneacuterateur pour les liquides) qui produit lrsquoeacutenergie fluide
(volume de fluide sous pression) La puissance fluide est le taux de variation de cette eacutenergie
fluide et est obtenue en multipliant le deacutebit Q et la pression p du fluide
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La pompe se caracteacuterise par sa cylindreacutee D qui deacutepend du volume de fluide refouleacute par uniteacute
de deacuteplacement angulaire de lrsquoarbre (tour ou radian) Les variables de sortie Q et P peuvent ecirctre
exprimeacutees en fonction des variables drsquoentreacutee ωi et Ti selon les eacutequations suivantes
Q ω D
ougrave Q = deacutebit (m3s)
ωi = vitesse angulaire (rads)
D = cylindreacutee (m3rad)
p = pression (Pa)
Ti = couple (Nm)
En consideacuterant la pompe comme un geacuteneacuterateur ideacuteal permettant de transformer lrsquoeacutenergie fluide
sans aucune perte on peut affirmer que la puissance fluide P au refoulement est eacutegale agrave la
puissance meacutecanique drsquoentreacutee Pi soit
ougrave
ougrave Pi est exprimeacute en watts
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2112 Modulateurs
Les modulateurs dans le systegraveme hydraulique sont les valves de direction (distributeurs) les
valves de pression et les valves de deacutebit Sur le banc drsquoessai les valves de direction
(distributeurs) permettent de diriger le fluide drsquoun cocircteacute ou de lrsquoautre dans les veacuterins
(reacutecepteurs) pour qursquoils puissent travailler dans la direction voulue
Les valves de pression et les valves de deacutebit servent respectivement agrave controcircler la pression et le
deacutebit du fluide qui est livreacute aux reacutecepteurs (veacuterins) Lorsque lrsquohuile hydraulique traverse une
valve de pression le fluide est soumis agrave une reacuteduction de pression (de p agrave prsquo) et lorsque cette
huile traverse une valve de deacutebit elle subit une limitation de deacutebit (de Q agrave Qrsquo)
2113 Reacutecepteurs
Les reacutecepteurs dans le systegraveme hydraulique sont agrave mouvement lineacuteaire Les veacuterins sont des
reacutecepteurs qui absorbent lrsquoeacutenergie fluide et la transforment pour produire un travail meacutecanique
en translation Le veacuterin reccediloit le fluide sous pression et en extrait lrsquoeacutenergie avant de le renvoyer
vers le reacuteservoir Le veacuterin est caracteacuteriseacute par une aire A Ainsi on peut exprimer les deux
variables de sortie vo et Fo en fonction des deux variables drsquoentreacutee prsquo et Qrsquo selon les eacutequations
suivantes
prime
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Dans le cas drsquoun veacuterin ideacuteal on peut eacutecrire
Soit
Ougrave vo = vitesse (ms)
A = aire effective (m2)
Fo = force (N)
212 Composantes de liaison
Dans le systegraveme hydraulique les composantes de liaison sont le fluide lui-mecircme et les diverses
canalisations Lrsquohuile hydraulique (fluide) sert agrave transporter lrsquoeacutenergie fluide mais aussi agrave
lubrifier les piegraveces mobiles des veacuterins Cette huile circule dans les canalisations drsquoune
composante agrave une autre Pour eacuteviter drsquoinfluencer lrsquoefficaciteacute et la fiabiliteacute du systegraveme
hydraulique on doit bien choisir dimensionner et installer les canalisations
213 Composantes passives
Les composantes passives du systegraveme hydraulique sont respectivement le reacuteservoir de la pompe
qui permet le stockage de lrsquohuile et la creacutepine qui est un filtre grossier qui protegravege le fluide
contre les polluants externes
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22 Eacutelaboration des hypothegraveses
Voici toutes les hypothegraveses qui ont eacuteteacute poseacutees dans le cadre de ce projet
- La pompe fournie suffisamment de puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins
simultaneacutement
- Les pertes volumeacutetriques dans le circuit sont consideacutereacutees comme eacutetant neacutegligeables
- La pompe se deacutecharge par une valve de mise agrave vide lorsque les veacuterins sont au repos
- Le troisiegraveme distributeur installeacute par Geacuteliko Inc est inutile actuellement
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3 MISE EN ŒUVRE DU MANDAT
31 La recherche de solutions
311 Solution No 1 - Automate programmable
Un automate programmable industriel (API) est un dispositif eacutelectronique qui exerce des
fonctions de controcircle de processus industriels Sa fonction est drsquoenvoyer des commandes aux
preacuteactionneurs (ex les valves) agrave partir des donneacutees drsquoentreacutees qui proviennent des diffeacuterents
capteurs LrsquoAPI est composeacutee drsquoune uniteacute de calculs (processeur) drsquoune alimentation ACDC
et de modules qui sont choisis selon les besoins de lrsquoapplication tel que les cartes drsquoentreacutees-
sorties les modules de communication les modules de commande etc LrsquoAPI peut ecirctre relieacutee agrave
une interface homme-machine agrave un pupitre opeacuterateur agrave une interface graphique ou agrave un
ordinateur Les langages de programmation standards de lrsquoAPI sont le Grafcet et le Ladder
Figure 8 API de marque Allen-Bradley
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Tableau 1 Avantages et inconveacutenients drsquoun automate programmable
Avantages Inconveacutenients
Peu encombrant
Temps de reacuteponse rapide
Facile agrave programmer
Consommation eacutelectrique
acceptable
Configurables et extensibles par
modules
Robuste
Dispendieux pour les petites ou
simples applications
Logiciel de programmation non
gratuit
312 Solution No 2 - Microcontrocircleur
Un microcontrocircleur est comme lrsquoAPI un dispositif eacutelectronique programmable qui peut lire des
signaux drsquoentreacutees et envoyer des signaux de commande agrave des peacuteripheacuteriques externes De plus
le microcontrocircleur rassemble dans un circuit inteacutegreacute tous les eacuteleacutements essentiels agrave son bon
fonctionnement soit le processeur la meacutemoire les uniteacutes peacuteripheacuteriques et les interfaces
drsquoentreacutees-sorties Les langages de programmation des microcontrocircleurs sont varieacutes Basic C
C++ Java etc
Figure 9 Microcontrocircleur de marque Arduino
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Tableau 2 Avantages et inconveacutenients drsquoun microcontrocircleur
Avantages Inconveacutenients
Tregraves peu encombrant
Tregraves faible consommation
eacutelectrique
Logiciel de programmation
geacuteneacuteralement gratuit
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Peu drsquoentreacuteessorties
Langages de programmation plus
contraignants que le Ladder et le
Grafcet
Non extensible
Tregraves fragile
Vitesse de fonctionnement plus
faible
313 Solution No 3 - Relais
Avant lrsquoavegravenement de lrsquoautomate programmable dans le deacutebut des anneacutees 1970 les systegravemes
eacutetaient automatiseacutes agrave lrsquoaide de relais Les relais peuvent ecirctre activeacutes et deacutesactiveacutes sans
interrupteur manuel Aujourdrsquohui les relais servent agrave reacuteduire la taille des panneaux de controcircle
des machines ou agrave creacuteer des cycles drsquoautomatismes simples Mais pour les automatismes qui
requiegraverent un grand nombre drsquoentreacutees sorties on doit remplacer le systegraveme de relayage
devenant trop complexe par un automate programmable
Figure 10 Relais meacutecanique
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Tableau 3 Avantages et inconveacutenients drsquoun relais
Avantages Inconveacutenients
Pas de programmation requise
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Tregraves encombrant
Solution non ideacuteale pour creacuteer des
cycles drsquoautomatismes complexes
Technologie vieillissante
32 Eacutelaboration du baregraveme
Le baregraveme est essentiel lors de lrsquoeacutetape de la prise de deacutecision pour accorder le pointage agrave
chaque solution et pour permettre au concepteur de se fixer des prioriteacutes de conception Le
baregraveme est conccedilu en fonction des critegraveres de qualiteacutes rechercheacutees que lrsquoon associe agrave une eacutechelle
de satisfaction avec une pondeacuteration de 1 agrave 4
Tableau 4 Baregraveme
Critegraveres Objectif 1 2 3 4 Simpliciteacute La programmation
etou lrsquoinstallation de la solution doivent ecirctre faciles
Tregraves difficile Difficile Facile Tregraves facile
Compatibiliteacute Lrsquouniteacute doit ecirctre compatible avec les eacutequipements du banc drsquoessai
Pas compatible Peu compatible Compatible Tregraves compatible
Espace Lrsquoespace requis pour installer lrsquouniteacute est limiteacute
Volume imposant Volume eacuteleveacute Volume moyen Volume neacutegligeable
Fiabiliteacute Durabiliteacute
Lrsquouniteacute doit ecirctre fiable et durable
Tregraves faible Moyennement faible
Moyennement eacuteleveacute
Eacuteleveacute
Coucirct Les contraintes budgeacutetaires doivent ecirctre respecteacutees
Tregraves dispendieux Dispendieux Abordable Tregraves abordable
Efficaciteacute eacutenergeacutetique
La consommation eacutelectrique doit diminuer
Consommation eacuteleveacutee
Consommation normale
Consommation faible
Consommation tregraves faible
Seacutecuriteacute Les risques drsquoaccident de travail doivent diminuer
Tregraves risqueacute Risqueacute Peu risqueacute Aucun risque
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33 Matrice de deacutecision Le tableau suivant preacutesente la matrice de deacutecision Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation de chacune des
solutions on a attribueacute agrave chaque critegravere une note situeacutee en 1 et 4 Les notes des critegraveres sont
multiplieacutees par leurs pondeacuterations respectives ils sont ensuite additionneacutes puis enfin diviser par
4 pour obtenir la note en pourcentage de chaque solution Selon les scores obtenus crsquoest
lrsquoautomate programmable qui est consideacutereacute comme eacutetant la meilleure uniteacute de controcircle
Tableau 5 Matrice de deacutecision
Critegraveres Pondeacuteration Solution 1 2 3
Automate programmable
Microcontrocircleur Relais
Simpliciteacute 30 4 3 1 Compatibiliteacute 20 4 2 1
Espace 5 3 4 1 FiabiliteacuteDurabiliteacute 10 4 2 1
Coucirct 15 2 4 3 Efficaciteacute
eacutenergeacutetique 5 3 4 2
Seacutecuriteacute 15 4 1 1 Reacutesultat 100 90 662 338
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34 La conception de la solution recommandeacutee
341 Eacutetude du systegraveme hydraulique existant
La preacutesente section est une eacutetude plus deacutetailleacutee portant sur les principales composantes dont est
constitueacute le banc drsquoessai actuel Lrsquoeacutetude comporte une analyse de leurs caracteacuteristiques
principales et de leurs modes de fonctionnements On y preacutesente eacutegalement les symboles
graphiques de ces composantes Cette eacutetude est une eacutetape primordiale pour pouvoir bien choisir
les nouveaux eacutequipements et concevoir le circuit hydraulique de la solution finale
3411 Ensemble pompe-moteur-reacuteservoir
Comme dans les tous systegravemes hydrauliques le banc drsquoessai dispose drsquoun ensemble pompe-
moteur-reacuteservoir La pompe transforme lrsquoeacutenergie meacutecanique fournie par le moteur eacutelectrique
rotatif en eacutenergie fluide La pompe deacutemarre degraves qursquoon branche le moteur eacutelectrique agrave la prise de
courant Vous retrouverez ci-dessous les speacutecifications de ces composantes et une photo prise
sur place de lrsquoensemble
Moteur eacutelectrique AC
Figure 11 Repreacutesentation scheacutematique du moteur eacutelectrique AC
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Tableau 6 Speacutecifications du moteur eacutelectrique
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Puissance
(HP)
Voltage
(V)
Vitesse
(RPM)
HY-SPEC MFG03 HYSW850203-1G 1 110220 1800
Pompe
Tableau 7 Speacutecifications de la pompe (supposition5)
Marque Deacutebit max
(GPM)
Pression max
(PSI)
Cylindreacutee
(cm3tr)
Inconnu 18 3200 PSI 4
Reacuteservoir
Figure 12 Repreacutesentation scheacutematique du reacuteservoir
5 Le deacutebit et la pression pouvant ecirctre fournie par la pompe sont des informations qui ont eacuteteacute fournies par
lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai mais qui ne sont pas veacuterifiables
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Tableau 8 Speacutecifications du reacuteservoir
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Volume
(L)
HY-SPEC V120 HYSW880117 12
Figure 13 Photo de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir
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3412 Bloc Manifold (bloc foreacute)
Un bloc manifold est un bloc de meacutetal avec plusieurs canaux inteacutegreacute conccedilu pour la conduite de
fluide dans des espaces confineacutes On retrouve sur le bloc des caviteacutes dans lesquelles on peut
installer diffeacuterentes composantes hydrauliques (valves manomegravetres tuyau etc)
Tableau 9 Speacutecifications du bloc manifold
Marque Numeacutero de
seacuterie
Description Nombre
de
sections
Ports Orifice
de
seacutecuriteacute
Pression
drsquoopeacuteration
maximale
(PSI)
HY-
SPEC
HYSDD03-
P-03-2SS
Type D03
Circuit
parallegravele
3 P amp T = SAE 10
A amp B = SAE 8
GA = SAE 6
T-10A 5000
Figure 14 Photo du bloc manifold
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3413 Veacuterins
Les 2 veacuterins hydrauliques utiliseacutes dans le banc drsquoessai sont des veacuterins agrave mouvement lineacuteaire et agrave
double effet (deux directions de travail) qui convertissent lrsquoeacutenergie fluide en eacutenergie
meacutecanique Chaque veacuterin est composeacute drsquoun tube cylindrique (le cylindre) dans lequel est
inseacutereacutee une piegravece mobile (le corps du piston) qui assure lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre deux chambres La
tige rigide qui est relieacutee au corps du piston sert agrave transmettre lrsquoeffort et le deacuteplacement Les
veacuterins comportent deux orifices (alimentation et refoulement) et la pression peut ecirctre appliqueacutee
de chaque cocircteacute du piston pour entraicircner son deacuteplacement dans un sens ou dans lautre Ce sont
les distributeurs qui permettent drsquointervertir les rocircles des deux orifices pour controcircler la
direction de la tige
Par ailleurs il peut y avoir des fuites volumeacutetriques internes et externes dans les veacuterins et qui
sont indeacutesirables car elles reacuteduisent la dureacutee de vie et le rendement des veacuterins La fuite interne
est en fait un eacutecoulement de lrsquohuile de la chambre agrave haute pression vers la chambre agrave basse
pression qui est due au jeu entre le corps du piston et la paroi interne du cylindre Il peut
eacutegalement y avoir une fuite externe due au jeu entre la tige du piston et la tecircte du cylindre Pour
reacuteduire ces fuites on installe des joints drsquoeacutetancheacuteiteacutes sur le corps du piston et sur la tecircte du
cylindre
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees)
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Leacutegende
1 Cylindre 5 Chambre de refoulement
2 Piston A Orifice drsquoadmission
3 Tige R Orifice de refoulement
4 Chambre drsquoadmission
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin
La principale caracteacuteristique des veacuterins est lrsquoaire effective sur laquelle le fluide exerce une
pression Les aires effectives du corps du piston (cocircteacute fond du veacuterin et cocircteacute tecircte du veacuterin) sont
diffeacuterentes agrave cause de la preacutesence de la tige sur une seule face du corps du piston Par
conseacutequent pour des mecircmes pressions drsquoadmission la force de contraction est plus faible que
la force drsquoextension Les eacutequations ci-dessous servent agrave convertir les forces (lb) en pression
(psi) selon le sens drsquoapplication du veacuterin
Calcul pour la conversion force-pression
Diamegravetre du piston6 25 po
Diamegravetre de la tige 15 po
lowast egrave
4lowast 25po
449087
lowast egrave
4lowast 15po
417671
ocirc eacute ecirc eacute
ocirc eacute eacute
6 Bore est le terme eacutequivalent du corps du piston
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins
Marque Numeacutero de seacuterie Type drsquoorifices Poids
(livres)
Pression
maximale
(pouce)
HY-SPEC HYS 25FEM24-NW SAE-8 40 3000 PSI
3414 Manomegravetre
Actuellement les pressions exerceacutees dans le bloc manifold et dans chaque chambre des veacuterins
sont mesureacutees agrave lrsquoaide de manomegravetre agrave glyceacuterine
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine
Marque Numeacutero de seacuterie Localisation Diamegravetre
(pouce)
Connexion Eacutechelle du
cadran
(PSI)
HY-
SPEC
HYSG22LXB3000PSI-
14NPT
Bloc
manifold
25
frac14 NPT
0 agrave 3000
HY-
SPEC
HYSG22LXB5000PSI-
14NPT
2 par veacuterin 0 agrave 5000
G
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3415 Les distributeurs
Dans le systegraveme hydraulique les distributeurs (valves de distribution) sont les composantes
actives (modulateurs) qui permettent la distribution du flux drsquoeacutenergie vers les 2 veacuterins
(reacutecepteurs) pour les libeacuterer les arrecircter ou les reacutetracter Sur les trois distributeurs installeacutes sur le
banc drsquoessai seuls 2 drsquoentre eux sont utiliseacutes Le troisiegraveme distributeur a eacuteteacute installeacute au cas ougrave
un troisiegraveme veacuterin serait neacutecessaire pour reacutealiser des tests futurs drsquoapregraves lrsquoopeacuterateur du banc
drsquoessai Il srsquoagit de distributeurs agrave tiroir (de type coulissant) agrave quatre orifices et agrave trois positions
agrave action piloteacutee agrave commande eacutelectrique par soleacutenoiumldes et agrave centrage par ressort de rappel
En alimentant lrsquoun des deux soleacutenoiumldes avec un courant eacutelectrique le tiroir du distributeur se
deacuteplace et lrsquohuile circule par des canaux internes de la valve vers lrsquoune des extreacutemiteacutes du tiroir
principal pendant que lrsquoautre extreacutemiteacute de ce tiroir est raccordeacutee au reacuteservoir du systegraveme par
lrsquoaction du distributeur pilote La pression qui srsquoexerce sur la face du tiroir principal engendre
une force qui pousse ce dernier et le maintien en position agrave voies parallegraveles ou en position agrave
voies croiseacutees En alternant entre la position agrave voies parallegraveles et la position agrave voies croiseacutees le
sens de lrsquoeacutecoulement du fluide dans le veacuterin change et donc le sens de lrsquoapplication de la force
Par ailleurs lorsque les deux soleacutenoiumldes du distributeur ne sont plus alimenteacutes par un courant
eacutelectrique le tiroir principal revient agrave sa position de repos gracircce agrave la pousseacutee du ressort de
rappel Puisqursquoil srsquoagit de distributeurs agrave centre fermeacute lrsquohuile ne peut alors plus circuler dans
les distributeurs et ecirctre achemineacutee dans les veacuterins
Figure 18 Les trois positions des distributeurs
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Leacutegende
T Orifice du reacuteservoir
P Orifice de la pompe
A amp B Admission et refoulement
1 Tiroir
2 Corps de valve
3 Ressort de rappel
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute
Figure 20 Photos des 3 distributeurs
Marque Numeacutero de seacuterie Tension
(V)
Deacutebit
max
(GPM)
Pression admissible
(PSI)
HY-
SPEC
HYSFW-02-3C2-
B110-Z5L-50
24 DC 9 4750
(Orifice A B P)
2320
(Orifice T)
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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La commande des distributeurs
Actuellement lrsquoalimentation des soleacutenoiumldes en courant se fait via deux manettes de controcircle
On retrouve sur ces manettes au total 6 boutons qui permettent lrsquoactivation de chacun des
soleacutenoiumldes Le soleacutenoiumlde demeure alimenteacute tant que lrsquoopeacuterateur exerce une pression sur le
bouton Eacutevidemment ces manettes deviendront inutiles lorsque les soleacutenoiumldes seront alimenteacutes
par lrsquoautomate programmable dans la solution finale
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle
Marque Numeacutero de seacuterie Nombre de boutons
HY-SPEC
HYST90009-3P 2
HYST90012-3P 4
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle
Figure 22 Boicircte de conversion7 entre la manette et le distributeur
7 Aucune speacutecification nrsquoest disponible pour la boicircte de conversion des manettes de controcircle
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3416 Limiteurs de deacutebit
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit
Les limiteurs de deacutebit permettent de controcircler les deacutebits drsquoalimentation des veacuterins et par ce fait
les vitesses de sortie et de rentreacutee des tiges des deux veacuterins Pour y arriver ces valves reacutegulent
le deacutebit du fluide en diminuant la section de lrsquoouverture emprunteacutee par celui-ci Le deacutebit est
proportionnel agrave cette ouverture et agrave la racine carreacutee de la perte de charge Sur le banc drsquoessai on
retrouve 2 eacutetrangleurs reacuteglables agrave pointeau par veacuterin Lrsquoeacutetrangleur agrave pointeau est coupleacute dans le
mecircme corps de la valve avec un clapet de retenue avec ressort8 pour que le deacutebit ne soit limiteacute
que dans un seul sens de lrsquoeacutecoulement
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort
Marque Numeacutero de seacuterie Type
Vickers DGMFN-3-Y-A2W-B2W-41 Port double
8 Il y a ouverture du clapet si la pression drsquoentreacutee est supeacuterieure agrave la somme de la pression de sortie et de la pression du ressort
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
Vinc
342
Parm
press
systegrave
man
(man
digit
drsquoen
eacutequi
342
Le f
le m
un s
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12 Le860 mpress
entWLeliegravev
2 Choix des
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taux Les m
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valents
21 Limiteur
Figur
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soleacutenoiumlde pr
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s amplificateurmA agrave partir deions requis on
PE
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manomegravetres
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CMVSS
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47
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tibiliteacute et
modegraveles
epose sur
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ortie est
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200 mA agrave miteurs de
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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1 EacuteTUDE DES BESOINS ET MANDAT
Cette section documente tous les renseignements obtenus lors de la collecte de donneacutees
11 Preacutesentation de lrsquoentreprise
Lrsquoentreprise pour laquelle le projet est reacutealiseacute est Amobi Cette compagnie fait partie du
Groupe Dion qui possegravede plusieurs divisions soit industrielles (Pro-AB Eacutequipement TNO
Dion Peinture Industrielle Amobi Acces Industriel Access Mining Services) automobiles
(Action Kia Acces Toyota Hino Nord-Ouest Location Dion Au Carrossier) et de produits
reacutecreacuteatifs (Eacutequipement TNO Marine Lamy et Amobi) Amobi est un manufacturier de siegraveges
pneumatiques ergonomiques haut de gamme pour camions autobus et eacutequipements industriels
Amobi fabrique eacutegalement des toiles protectrices multiusages pour bateaux pontons motos
tracteurs et motoneiges Dans ce travail et dans ceux qui suivront nous ne traiterons toutefois
pas davantage de ces derniers puisque notre projet relegraveve plutocirct du deacutepartement qui srsquooccupe de
la fabrication des siegraveges Amobi dessert le marcheacute canadien mais exporte aussi ces siegraveges agrave des
agents manufacturiers et des distributeurs disperseacutes dans diffeacuterentes reacutegions des Eacutetats-Unis La
figure 2 preacutesente la gamme de siegraveges fabriqueacutee par Amobi
Figure 1 Modegraveles de siegraveges fabriqueacutes par Amobi
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12 Description du produit
Les siegraveges fabriqueacutes par Amobi sont constitueacutes de plusieurs ballons indeacutependants qui se
gonflent pour srsquoadapter agrave la masse et agrave la taille du conducteur Ces ballons apportent un support
dorsal et lateacuteral qui combineacute agrave la base pneumatique agrave amortisseurs permet de diminuer
lrsquoimpact des chocs et des vibrations creacuteeacutes par la route sur le corps du conducteur
Ces siegraveges sont entiegraverement reacuteglables crsquoest-agrave-dire que des manettes de controcircle permettent
lrsquoajustement de nombreux points selon les preacutefeacuterences du conducteur la position avant-arriegravere
du siegravege la profondeur et lrsquoinclinaison de lrsquoassise lrsquoinclinaison du dossier la forme de lrsquoassise
et du dossier la hauteur du siegravege et la suspension de la base du siegravege Les produits fabriqueacutes par
Amobi sont tregraves durables car ils doivent tenir aussi longtemps que le veacutehicule dans lequel ils
seront installeacutes De plus ils doivent aussi reacutesister agrave des ajustements tregraves freacutequents puisque ces
veacutehicules sont souvent conduits par un grand nombre de personnes diffeacuterentes
La majoriteacute des piegraveces composant les siegraveges sont fabriqueacutees par des sous-traitants
Lrsquoassemblage du produit final est cependant entiegraverement fait chez Amobi Crsquoest aussi lagrave que se
fait la conception lrsquoameacutelioration et le test des produits fabriqueacutes
Figure 2 Cellules pneumatiques gonflables dans le siegravege Tech 3001
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13 Description du proceacutedeacute
Les produits drsquoAmobi sont faits selon les besoins des clients et la majoriteacute de ceux-ci deacutesirent
que les siegraveges installeacutes dans leurs veacutehicules soient conformes aux normes volontaires de
Transport Canada Pour srsquoassurer de cette conformiteacute la compagnie doit tester elle-mecircme ses
siegraveges avant drsquoen produire un grand nombre lorsqursquoil srsquoagit drsquoun nouveau concept ou drsquoun
concept existant dont on a modifieacute des composantes structurales Crsquoest pourquoi Amobi srsquoest
doteacute drsquoun banc drsquoessai pour siegravege visant agrave tester la conformiteacute aux Normes de seacutecuriteacute des
veacutehicules automobiles du Canada (NSVAC ou CMVSS - Canada Motor Vehicle Safety
Standards) no 207 et 210
Les essais effectueacutes visent agrave tester la reacuteaction du siegravege et de son ancrage agrave diffeacuterentes forces
appliqueacutees sur celui-ci Le banc est donc constitueacute drsquoun cadre de meacutetal sur lequel est installeacute un
exemple drsquoancrage de siegravege fourni par la compagnie Novabus client drsquoAmobi ainsi que drsquoune
uniteacute composeacutee de deux cylindres hydrauliques pour appliquer les forces en question
Figure 3 Banc drsquoessai agrave lrsquoœuvre sur un siegravege de la compagnie Amobi chez PMG Technologies agrave Blainville
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14 Mise en contexte de la probleacutematique
Preacutesentement lrsquoentreprise a un banc drsquoessai qui est utiliseacute pour effectuer les tests normatifs
exigeacutes par les normes CMVSS 207 et 210 Lrsquouniteacute de controcircle utiliseacute jusqursquoagrave ce jour preacutesente
des restrictions majeures tel que
1 Seule une personne expeacuterimenteacutee dans le controcircle des valves soleacutenoiumldes est apte agrave
opeacuterer le banc de faccedilon acceptable Le banc drsquoessai ne dispose pas drsquoune interface
homme-machine conviviale
2 Le controcircle des forces appliqueacutees par les veacuterins hydrauliques se fait par le reacuteglage des
valves Les forces ne sont pas appliqueacutees instantaneacutement
3 Le banc drsquoessai actuel ne permet pas drsquoappliquer deux forces simultaneacutement sur le
siegravege
4 Il y a un leacuteger deacuteplacement du siegravege pendant lrsquoopeacuteration du banc drsquoessai ce qui fait en
sorte que les forces reacuteelles appliqueacutees par les cylindres ne demeurent pas constantes
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai doit continuellement surveiller plusieurs manomegravetres et
ajuster la pression dans les cylindres pour corriger les effets de cette perturbation
5 La mesure des pressions deacuteployeacutees est peacutenible agrave cause de lrsquoimpreacutecision de lrsquoeacutechelle des
cadrans des manomegravetres Il est ainsi impossible drsquoopeacuterer le banc drsquoessai agrave basse
pression
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15 Objectifs contraintes et restrictions
Lrsquoobjectif principal de ce projet est de concevoir une uniteacute de controcircle reacutesolvant les restrictions
majeures que rencontre le banc drsquoessai preacutesentement En drsquoautres mots Amobi veut disposer
drsquoun banc drsquoessai permettant drsquoeffectuer tous les tests relieacutes aux normes CMVSS 207-210 en
gagnant en flexibiliteacute et faciliteacute drsquoutilisation Drsquoautre part lrsquoune des contraintes de ce projet est
lrsquoadaptation de la solution recommandeacutee sur le banc drsquoessai existant Il y a eacutegalement une
contrainte moneacutetaire puisque lrsquoinvestissement total de lrsquoensemble de la solution ne doit pas
deacutepasser 8000 $ Le client est agrave la recherche drsquoune solution la plus abordable possible puisque
le banc drsquoessai nrsquoest utiliseacute que quelques fois par anneacutee
16 Formulation du mandat
Les tacircches du mandat de ce projet sont les suivantes
1 Analyser lrsquouniteacute actuelle
2 Concevoir une uniteacute de controcircle incluant
La seacutelection des composantes hydrauliques et eacutelectroniques
Le plan du circuit hydraulique de la solution finale
Le programme de lrsquouniteacute de controcircle
3 Concevoir une interface homme-machine conviviale
4 Reacutediger un mode drsquoemploi pour lrsquoutilisation du banc drsquoessai
5 Eacutevaluer le budget neacutecessaire pour fabriquer la nouvelle uniteacute
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17 Normes applicables
La compagnie SRD Bolduc Inc a preacutepareacute en 2005 pour Amobi un document deacutecrivant les
proceacutedures agrave suivre les informations agrave rapporter et le format des rapports drsquoessais requis pour
deacutemontrer la conformiteacute de siegraveges de veacutehicules aux normes de seacutecuriteacute des veacutehicules
automobiles du Canada NSVACCMVSS no 207 (ancrage des siegraveges) et 210 (ancrage de
ceinture de seacutecuriteacute) Vous retrouvez ci-dessous la description des trois tests normatifs qui
doivent ecirctre effectueacutes sur les siegraveges que lrsquoon deacutesire tester
Test No 1ndash Application de la force produisant un couple [NSVAC 207 1(b)ii(A)]
Figure 4 Point drsquoapplication de la force
Eacutetape 1
Appliquer une charge (en livres) eacutegale agrave 3300 diviseacutee par la distance laquo D raquo La distance laquo D raquo
eacutetant la distance en pouces entre le point de reacutefeacuterence assise2 et la piegravece transversale la plus
eacuteleveacutee du dossier ou de la partie supeacuterieure du dossier La charge doit ecirctre appliqueacutee sur la
partie transversale la plus eacuteleveacutee du dossier et vers lrsquoarriegravere agrave un angle de 0 degreacute
Eacutetape 2
Relacirccher la charge
2 La meacutethode pour deacuteterminer le point de reacutefeacuterence assise est expliqueacutee en annexe
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Test No 2ndash Application de la charge vers lrsquoarriegravere [NSVAC 207 1(a)i(B)]
Figure 5 Point dapplication de la force
Eacutetape 1
Appliquer une charge (en livres) eacutegale agrave 20 fois le poids du siegravege sur un intervalle de temps de
29 secondes La charge doit ecirctre appliqueacutee au centre de graviteacute du siegravege et vers lrsquoarriegravere agrave un
angle de 0 degreacute
Eacutetape 2
Maintenir la charge pendant au moins 10 secondes
Eacutetape 3
Relacirccher la charge
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Test No 3ndash Application simultaneacutee des forces [NSVAC 207 1(a)ii]
Figure 6 Points drsquoapplication des charges
Eacutetape 1
Appliquer 2 charges simultaneacutement sur un intervalle de temps de 29 secondes
- La premiegravere charge (en livres) est eacutegale agrave 20 fois le poids du siegravege et est appliqueacutee au
centre de graviteacute du siegravege vers lrsquoavant agrave un angle de 0 degreacute
- La valeur de la seconde charge deacutepend du type de ceinture installeacutee sur le siegravege Srsquoil
srsquoagit drsquoune ceinture de type I3 la charge agrave appliquer est de 5000 livres Si la ceinture
est de type II4 la charge agrave appliquer est de 3000 livres Cette charge doit ecirctre appliqueacutee
par le biais drsquoune forme de corps retenue par la ceinture de seacutecuriteacute du veacutehicule agrave un
angle compris entre 5 et 10 degreacutes de lrsquohorizontale
Eacutetape 2
Maintenir les charges pendant au moins 10 secondes
Eacutetape 3
Relacirccher les charges
3 Ceinture de seacutecuriteacute agrave 2 points drsquoancrage ougrave une seule sangle est raccordeacutee de chaque cocircteacute du bassin 4 Ceinture de seacutecuriteacute agrave 3 points drsquoancrage ougrave la sangle agrave deux points remonte en travers la poitrine du passager
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2 CADRE THEacuteORIQUE ET EacuteLABORATION DES HYPOTHEgraveSES
21 Cadre theacuteorique
Tout systegraveme agrave fluide sous pression comme celui du banc drsquoessai est toujours composeacute de trois
types de composantes soit
‐ Les composantes actives qui convertissent et modulent lrsquoeacutenergie
‐ Les composantes de liaison qui acheminent lrsquoeacutenergie drsquoune composante active agrave une
autre du moteur agrave la charge
‐ Les composantes passives qui exercent des fonctions secondaires mais qui sont
essentielles pour assurer le bon fonctionnement du systegraveme
Figure 7 Diagramme des principales composantes dun systegraveme hydraulique
211 Composantes actives
2111 Geacuteneacuterateurs
Sur le banc drsquoessai crsquoest la pompe (geacuteneacuterateur pour les liquides) qui produit lrsquoeacutenergie fluide
(volume de fluide sous pression) La puissance fluide est le taux de variation de cette eacutenergie
fluide et est obtenue en multipliant le deacutebit Q et la pression p du fluide
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La pompe se caracteacuterise par sa cylindreacutee D qui deacutepend du volume de fluide refouleacute par uniteacute
de deacuteplacement angulaire de lrsquoarbre (tour ou radian) Les variables de sortie Q et P peuvent ecirctre
exprimeacutees en fonction des variables drsquoentreacutee ωi et Ti selon les eacutequations suivantes
Q ω D
ougrave Q = deacutebit (m3s)
ωi = vitesse angulaire (rads)
D = cylindreacutee (m3rad)
p = pression (Pa)
Ti = couple (Nm)
En consideacuterant la pompe comme un geacuteneacuterateur ideacuteal permettant de transformer lrsquoeacutenergie fluide
sans aucune perte on peut affirmer que la puissance fluide P au refoulement est eacutegale agrave la
puissance meacutecanique drsquoentreacutee Pi soit
ougrave
ougrave Pi est exprimeacute en watts
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2112 Modulateurs
Les modulateurs dans le systegraveme hydraulique sont les valves de direction (distributeurs) les
valves de pression et les valves de deacutebit Sur le banc drsquoessai les valves de direction
(distributeurs) permettent de diriger le fluide drsquoun cocircteacute ou de lrsquoautre dans les veacuterins
(reacutecepteurs) pour qursquoils puissent travailler dans la direction voulue
Les valves de pression et les valves de deacutebit servent respectivement agrave controcircler la pression et le
deacutebit du fluide qui est livreacute aux reacutecepteurs (veacuterins) Lorsque lrsquohuile hydraulique traverse une
valve de pression le fluide est soumis agrave une reacuteduction de pression (de p agrave prsquo) et lorsque cette
huile traverse une valve de deacutebit elle subit une limitation de deacutebit (de Q agrave Qrsquo)
2113 Reacutecepteurs
Les reacutecepteurs dans le systegraveme hydraulique sont agrave mouvement lineacuteaire Les veacuterins sont des
reacutecepteurs qui absorbent lrsquoeacutenergie fluide et la transforment pour produire un travail meacutecanique
en translation Le veacuterin reccediloit le fluide sous pression et en extrait lrsquoeacutenergie avant de le renvoyer
vers le reacuteservoir Le veacuterin est caracteacuteriseacute par une aire A Ainsi on peut exprimer les deux
variables de sortie vo et Fo en fonction des deux variables drsquoentreacutee prsquo et Qrsquo selon les eacutequations
suivantes
prime
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Dans le cas drsquoun veacuterin ideacuteal on peut eacutecrire
Soit
Ougrave vo = vitesse (ms)
A = aire effective (m2)
Fo = force (N)
212 Composantes de liaison
Dans le systegraveme hydraulique les composantes de liaison sont le fluide lui-mecircme et les diverses
canalisations Lrsquohuile hydraulique (fluide) sert agrave transporter lrsquoeacutenergie fluide mais aussi agrave
lubrifier les piegraveces mobiles des veacuterins Cette huile circule dans les canalisations drsquoune
composante agrave une autre Pour eacuteviter drsquoinfluencer lrsquoefficaciteacute et la fiabiliteacute du systegraveme
hydraulique on doit bien choisir dimensionner et installer les canalisations
213 Composantes passives
Les composantes passives du systegraveme hydraulique sont respectivement le reacuteservoir de la pompe
qui permet le stockage de lrsquohuile et la creacutepine qui est un filtre grossier qui protegravege le fluide
contre les polluants externes
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22 Eacutelaboration des hypothegraveses
Voici toutes les hypothegraveses qui ont eacuteteacute poseacutees dans le cadre de ce projet
- La pompe fournie suffisamment de puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins
simultaneacutement
- Les pertes volumeacutetriques dans le circuit sont consideacutereacutees comme eacutetant neacutegligeables
- La pompe se deacutecharge par une valve de mise agrave vide lorsque les veacuterins sont au repos
- Le troisiegraveme distributeur installeacute par Geacuteliko Inc est inutile actuellement
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3 MISE EN ŒUVRE DU MANDAT
31 La recherche de solutions
311 Solution No 1 - Automate programmable
Un automate programmable industriel (API) est un dispositif eacutelectronique qui exerce des
fonctions de controcircle de processus industriels Sa fonction est drsquoenvoyer des commandes aux
preacuteactionneurs (ex les valves) agrave partir des donneacutees drsquoentreacutees qui proviennent des diffeacuterents
capteurs LrsquoAPI est composeacutee drsquoune uniteacute de calculs (processeur) drsquoune alimentation ACDC
et de modules qui sont choisis selon les besoins de lrsquoapplication tel que les cartes drsquoentreacutees-
sorties les modules de communication les modules de commande etc LrsquoAPI peut ecirctre relieacutee agrave
une interface homme-machine agrave un pupitre opeacuterateur agrave une interface graphique ou agrave un
ordinateur Les langages de programmation standards de lrsquoAPI sont le Grafcet et le Ladder
Figure 8 API de marque Allen-Bradley
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Tableau 1 Avantages et inconveacutenients drsquoun automate programmable
Avantages Inconveacutenients
Peu encombrant
Temps de reacuteponse rapide
Facile agrave programmer
Consommation eacutelectrique
acceptable
Configurables et extensibles par
modules
Robuste
Dispendieux pour les petites ou
simples applications
Logiciel de programmation non
gratuit
312 Solution No 2 - Microcontrocircleur
Un microcontrocircleur est comme lrsquoAPI un dispositif eacutelectronique programmable qui peut lire des
signaux drsquoentreacutees et envoyer des signaux de commande agrave des peacuteripheacuteriques externes De plus
le microcontrocircleur rassemble dans un circuit inteacutegreacute tous les eacuteleacutements essentiels agrave son bon
fonctionnement soit le processeur la meacutemoire les uniteacutes peacuteripheacuteriques et les interfaces
drsquoentreacutees-sorties Les langages de programmation des microcontrocircleurs sont varieacutes Basic C
C++ Java etc
Figure 9 Microcontrocircleur de marque Arduino
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Tableau 2 Avantages et inconveacutenients drsquoun microcontrocircleur
Avantages Inconveacutenients
Tregraves peu encombrant
Tregraves faible consommation
eacutelectrique
Logiciel de programmation
geacuteneacuteralement gratuit
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Peu drsquoentreacuteessorties
Langages de programmation plus
contraignants que le Ladder et le
Grafcet
Non extensible
Tregraves fragile
Vitesse de fonctionnement plus
faible
313 Solution No 3 - Relais
Avant lrsquoavegravenement de lrsquoautomate programmable dans le deacutebut des anneacutees 1970 les systegravemes
eacutetaient automatiseacutes agrave lrsquoaide de relais Les relais peuvent ecirctre activeacutes et deacutesactiveacutes sans
interrupteur manuel Aujourdrsquohui les relais servent agrave reacuteduire la taille des panneaux de controcircle
des machines ou agrave creacuteer des cycles drsquoautomatismes simples Mais pour les automatismes qui
requiegraverent un grand nombre drsquoentreacutees sorties on doit remplacer le systegraveme de relayage
devenant trop complexe par un automate programmable
Figure 10 Relais meacutecanique
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Tableau 3 Avantages et inconveacutenients drsquoun relais
Avantages Inconveacutenients
Pas de programmation requise
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Tregraves encombrant
Solution non ideacuteale pour creacuteer des
cycles drsquoautomatismes complexes
Technologie vieillissante
32 Eacutelaboration du baregraveme
Le baregraveme est essentiel lors de lrsquoeacutetape de la prise de deacutecision pour accorder le pointage agrave
chaque solution et pour permettre au concepteur de se fixer des prioriteacutes de conception Le
baregraveme est conccedilu en fonction des critegraveres de qualiteacutes rechercheacutees que lrsquoon associe agrave une eacutechelle
de satisfaction avec une pondeacuteration de 1 agrave 4
Tableau 4 Baregraveme
Critegraveres Objectif 1 2 3 4 Simpliciteacute La programmation
etou lrsquoinstallation de la solution doivent ecirctre faciles
Tregraves difficile Difficile Facile Tregraves facile
Compatibiliteacute Lrsquouniteacute doit ecirctre compatible avec les eacutequipements du banc drsquoessai
Pas compatible Peu compatible Compatible Tregraves compatible
Espace Lrsquoespace requis pour installer lrsquouniteacute est limiteacute
Volume imposant Volume eacuteleveacute Volume moyen Volume neacutegligeable
Fiabiliteacute Durabiliteacute
Lrsquouniteacute doit ecirctre fiable et durable
Tregraves faible Moyennement faible
Moyennement eacuteleveacute
Eacuteleveacute
Coucirct Les contraintes budgeacutetaires doivent ecirctre respecteacutees
Tregraves dispendieux Dispendieux Abordable Tregraves abordable
Efficaciteacute eacutenergeacutetique
La consommation eacutelectrique doit diminuer
Consommation eacuteleveacutee
Consommation normale
Consommation faible
Consommation tregraves faible
Seacutecuriteacute Les risques drsquoaccident de travail doivent diminuer
Tregraves risqueacute Risqueacute Peu risqueacute Aucun risque
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33 Matrice de deacutecision Le tableau suivant preacutesente la matrice de deacutecision Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation de chacune des
solutions on a attribueacute agrave chaque critegravere une note situeacutee en 1 et 4 Les notes des critegraveres sont
multiplieacutees par leurs pondeacuterations respectives ils sont ensuite additionneacutes puis enfin diviser par
4 pour obtenir la note en pourcentage de chaque solution Selon les scores obtenus crsquoest
lrsquoautomate programmable qui est consideacutereacute comme eacutetant la meilleure uniteacute de controcircle
Tableau 5 Matrice de deacutecision
Critegraveres Pondeacuteration Solution 1 2 3
Automate programmable
Microcontrocircleur Relais
Simpliciteacute 30 4 3 1 Compatibiliteacute 20 4 2 1
Espace 5 3 4 1 FiabiliteacuteDurabiliteacute 10 4 2 1
Coucirct 15 2 4 3 Efficaciteacute
eacutenergeacutetique 5 3 4 2
Seacutecuriteacute 15 4 1 1 Reacutesultat 100 90 662 338
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34 La conception de la solution recommandeacutee
341 Eacutetude du systegraveme hydraulique existant
La preacutesente section est une eacutetude plus deacutetailleacutee portant sur les principales composantes dont est
constitueacute le banc drsquoessai actuel Lrsquoeacutetude comporte une analyse de leurs caracteacuteristiques
principales et de leurs modes de fonctionnements On y preacutesente eacutegalement les symboles
graphiques de ces composantes Cette eacutetude est une eacutetape primordiale pour pouvoir bien choisir
les nouveaux eacutequipements et concevoir le circuit hydraulique de la solution finale
3411 Ensemble pompe-moteur-reacuteservoir
Comme dans les tous systegravemes hydrauliques le banc drsquoessai dispose drsquoun ensemble pompe-
moteur-reacuteservoir La pompe transforme lrsquoeacutenergie meacutecanique fournie par le moteur eacutelectrique
rotatif en eacutenergie fluide La pompe deacutemarre degraves qursquoon branche le moteur eacutelectrique agrave la prise de
courant Vous retrouverez ci-dessous les speacutecifications de ces composantes et une photo prise
sur place de lrsquoensemble
Moteur eacutelectrique AC
Figure 11 Repreacutesentation scheacutematique du moteur eacutelectrique AC
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Tableau 6 Speacutecifications du moteur eacutelectrique
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Puissance
(HP)
Voltage
(V)
Vitesse
(RPM)
HY-SPEC MFG03 HYSW850203-1G 1 110220 1800
Pompe
Tableau 7 Speacutecifications de la pompe (supposition5)
Marque Deacutebit max
(GPM)
Pression max
(PSI)
Cylindreacutee
(cm3tr)
Inconnu 18 3200 PSI 4
Reacuteservoir
Figure 12 Repreacutesentation scheacutematique du reacuteservoir
5 Le deacutebit et la pression pouvant ecirctre fournie par la pompe sont des informations qui ont eacuteteacute fournies par
lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai mais qui ne sont pas veacuterifiables
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Tableau 8 Speacutecifications du reacuteservoir
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Volume
(L)
HY-SPEC V120 HYSW880117 12
Figure 13 Photo de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir
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3412 Bloc Manifold (bloc foreacute)
Un bloc manifold est un bloc de meacutetal avec plusieurs canaux inteacutegreacute conccedilu pour la conduite de
fluide dans des espaces confineacutes On retrouve sur le bloc des caviteacutes dans lesquelles on peut
installer diffeacuterentes composantes hydrauliques (valves manomegravetres tuyau etc)
Tableau 9 Speacutecifications du bloc manifold
Marque Numeacutero de
seacuterie
Description Nombre
de
sections
Ports Orifice
de
seacutecuriteacute
Pression
drsquoopeacuteration
maximale
(PSI)
HY-
SPEC
HYSDD03-
P-03-2SS
Type D03
Circuit
parallegravele
3 P amp T = SAE 10
A amp B = SAE 8
GA = SAE 6
T-10A 5000
Figure 14 Photo du bloc manifold
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3413 Veacuterins
Les 2 veacuterins hydrauliques utiliseacutes dans le banc drsquoessai sont des veacuterins agrave mouvement lineacuteaire et agrave
double effet (deux directions de travail) qui convertissent lrsquoeacutenergie fluide en eacutenergie
meacutecanique Chaque veacuterin est composeacute drsquoun tube cylindrique (le cylindre) dans lequel est
inseacutereacutee une piegravece mobile (le corps du piston) qui assure lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre deux chambres La
tige rigide qui est relieacutee au corps du piston sert agrave transmettre lrsquoeffort et le deacuteplacement Les
veacuterins comportent deux orifices (alimentation et refoulement) et la pression peut ecirctre appliqueacutee
de chaque cocircteacute du piston pour entraicircner son deacuteplacement dans un sens ou dans lautre Ce sont
les distributeurs qui permettent drsquointervertir les rocircles des deux orifices pour controcircler la
direction de la tige
Par ailleurs il peut y avoir des fuites volumeacutetriques internes et externes dans les veacuterins et qui
sont indeacutesirables car elles reacuteduisent la dureacutee de vie et le rendement des veacuterins La fuite interne
est en fait un eacutecoulement de lrsquohuile de la chambre agrave haute pression vers la chambre agrave basse
pression qui est due au jeu entre le corps du piston et la paroi interne du cylindre Il peut
eacutegalement y avoir une fuite externe due au jeu entre la tige du piston et la tecircte du cylindre Pour
reacuteduire ces fuites on installe des joints drsquoeacutetancheacuteiteacutes sur le corps du piston et sur la tecircte du
cylindre
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees)
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Leacutegende
1 Cylindre 5 Chambre de refoulement
2 Piston A Orifice drsquoadmission
3 Tige R Orifice de refoulement
4 Chambre drsquoadmission
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin
La principale caracteacuteristique des veacuterins est lrsquoaire effective sur laquelle le fluide exerce une
pression Les aires effectives du corps du piston (cocircteacute fond du veacuterin et cocircteacute tecircte du veacuterin) sont
diffeacuterentes agrave cause de la preacutesence de la tige sur une seule face du corps du piston Par
conseacutequent pour des mecircmes pressions drsquoadmission la force de contraction est plus faible que
la force drsquoextension Les eacutequations ci-dessous servent agrave convertir les forces (lb) en pression
(psi) selon le sens drsquoapplication du veacuterin
Calcul pour la conversion force-pression
Diamegravetre du piston6 25 po
Diamegravetre de la tige 15 po
lowast egrave
4lowast 25po
449087
lowast egrave
4lowast 15po
417671
ocirc eacute ecirc eacute
ocirc eacute eacute
6 Bore est le terme eacutequivalent du corps du piston
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Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins
Marque Numeacutero de seacuterie Type drsquoorifices Poids
(livres)
Pression
maximale
(pouce)
HY-SPEC HYS 25FEM24-NW SAE-8 40 3000 PSI
3414 Manomegravetre
Actuellement les pressions exerceacutees dans le bloc manifold et dans chaque chambre des veacuterins
sont mesureacutees agrave lrsquoaide de manomegravetre agrave glyceacuterine
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine
Marque Numeacutero de seacuterie Localisation Diamegravetre
(pouce)
Connexion Eacutechelle du
cadran
(PSI)
HY-
SPEC
HYSG22LXB3000PSI-
14NPT
Bloc
manifold
25
frac14 NPT
0 agrave 3000
HY-
SPEC
HYSG22LXB5000PSI-
14NPT
2 par veacuterin 0 agrave 5000
G
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold
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3415 Les distributeurs
Dans le systegraveme hydraulique les distributeurs (valves de distribution) sont les composantes
actives (modulateurs) qui permettent la distribution du flux drsquoeacutenergie vers les 2 veacuterins
(reacutecepteurs) pour les libeacuterer les arrecircter ou les reacutetracter Sur les trois distributeurs installeacutes sur le
banc drsquoessai seuls 2 drsquoentre eux sont utiliseacutes Le troisiegraveme distributeur a eacuteteacute installeacute au cas ougrave
un troisiegraveme veacuterin serait neacutecessaire pour reacutealiser des tests futurs drsquoapregraves lrsquoopeacuterateur du banc
drsquoessai Il srsquoagit de distributeurs agrave tiroir (de type coulissant) agrave quatre orifices et agrave trois positions
agrave action piloteacutee agrave commande eacutelectrique par soleacutenoiumldes et agrave centrage par ressort de rappel
En alimentant lrsquoun des deux soleacutenoiumldes avec un courant eacutelectrique le tiroir du distributeur se
deacuteplace et lrsquohuile circule par des canaux internes de la valve vers lrsquoune des extreacutemiteacutes du tiroir
principal pendant que lrsquoautre extreacutemiteacute de ce tiroir est raccordeacutee au reacuteservoir du systegraveme par
lrsquoaction du distributeur pilote La pression qui srsquoexerce sur la face du tiroir principal engendre
une force qui pousse ce dernier et le maintien en position agrave voies parallegraveles ou en position agrave
voies croiseacutees En alternant entre la position agrave voies parallegraveles et la position agrave voies croiseacutees le
sens de lrsquoeacutecoulement du fluide dans le veacuterin change et donc le sens de lrsquoapplication de la force
Par ailleurs lorsque les deux soleacutenoiumldes du distributeur ne sont plus alimenteacutes par un courant
eacutelectrique le tiroir principal revient agrave sa position de repos gracircce agrave la pousseacutee du ressort de
rappel Puisqursquoil srsquoagit de distributeurs agrave centre fermeacute lrsquohuile ne peut alors plus circuler dans
les distributeurs et ecirctre achemineacutee dans les veacuterins
Figure 18 Les trois positions des distributeurs
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Leacutegende
T Orifice du reacuteservoir
P Orifice de la pompe
A amp B Admission et refoulement
1 Tiroir
2 Corps de valve
3 Ressort de rappel
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute
Figure 20 Photos des 3 distributeurs
Marque Numeacutero de seacuterie Tension
(V)
Deacutebit
max
(GPM)
Pression admissible
(PSI)
HY-
SPEC
HYSFW-02-3C2-
B110-Z5L-50
24 DC 9 4750
(Orifice A B P)
2320
(Orifice T)
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La commande des distributeurs
Actuellement lrsquoalimentation des soleacutenoiumldes en courant se fait via deux manettes de controcircle
On retrouve sur ces manettes au total 6 boutons qui permettent lrsquoactivation de chacun des
soleacutenoiumldes Le soleacutenoiumlde demeure alimenteacute tant que lrsquoopeacuterateur exerce une pression sur le
bouton Eacutevidemment ces manettes deviendront inutiles lorsque les soleacutenoiumldes seront alimenteacutes
par lrsquoautomate programmable dans la solution finale
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle
Marque Numeacutero de seacuterie Nombre de boutons
HY-SPEC
HYST90009-3P 2
HYST90012-3P 4
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle
Figure 22 Boicircte de conversion7 entre la manette et le distributeur
7 Aucune speacutecification nrsquoest disponible pour la boicircte de conversion des manettes de controcircle
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3416 Limiteurs de deacutebit
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit
Les limiteurs de deacutebit permettent de controcircler les deacutebits drsquoalimentation des veacuterins et par ce fait
les vitesses de sortie et de rentreacutee des tiges des deux veacuterins Pour y arriver ces valves reacutegulent
le deacutebit du fluide en diminuant la section de lrsquoouverture emprunteacutee par celui-ci Le deacutebit est
proportionnel agrave cette ouverture et agrave la racine carreacutee de la perte de charge Sur le banc drsquoessai on
retrouve 2 eacutetrangleurs reacuteglables agrave pointeau par veacuterin Lrsquoeacutetrangleur agrave pointeau est coupleacute dans le
mecircme corps de la valve avec un clapet de retenue avec ressort8 pour que le deacutebit ne soit limiteacute
que dans un seul sens de lrsquoeacutecoulement
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort
Marque Numeacutero de seacuterie Type
Vickers DGMFN-3-Y-A2W-B2W-41 Port double
8 Il y a ouverture du clapet si la pression drsquoentreacutee est supeacuterieure agrave la somme de la pression de sortie et de la pression du ressort
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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12 Description du produit
Les siegraveges fabriqueacutes par Amobi sont constitueacutes de plusieurs ballons indeacutependants qui se
gonflent pour srsquoadapter agrave la masse et agrave la taille du conducteur Ces ballons apportent un support
dorsal et lateacuteral qui combineacute agrave la base pneumatique agrave amortisseurs permet de diminuer
lrsquoimpact des chocs et des vibrations creacuteeacutes par la route sur le corps du conducteur
Ces siegraveges sont entiegraverement reacuteglables crsquoest-agrave-dire que des manettes de controcircle permettent
lrsquoajustement de nombreux points selon les preacutefeacuterences du conducteur la position avant-arriegravere
du siegravege la profondeur et lrsquoinclinaison de lrsquoassise lrsquoinclinaison du dossier la forme de lrsquoassise
et du dossier la hauteur du siegravege et la suspension de la base du siegravege Les produits fabriqueacutes par
Amobi sont tregraves durables car ils doivent tenir aussi longtemps que le veacutehicule dans lequel ils
seront installeacutes De plus ils doivent aussi reacutesister agrave des ajustements tregraves freacutequents puisque ces
veacutehicules sont souvent conduits par un grand nombre de personnes diffeacuterentes
La majoriteacute des piegraveces composant les siegraveges sont fabriqueacutees par des sous-traitants
Lrsquoassemblage du produit final est cependant entiegraverement fait chez Amobi Crsquoest aussi lagrave que se
fait la conception lrsquoameacutelioration et le test des produits fabriqueacutes
Figure 2 Cellules pneumatiques gonflables dans le siegravege Tech 3001
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13 Description du proceacutedeacute
Les produits drsquoAmobi sont faits selon les besoins des clients et la majoriteacute de ceux-ci deacutesirent
que les siegraveges installeacutes dans leurs veacutehicules soient conformes aux normes volontaires de
Transport Canada Pour srsquoassurer de cette conformiteacute la compagnie doit tester elle-mecircme ses
siegraveges avant drsquoen produire un grand nombre lorsqursquoil srsquoagit drsquoun nouveau concept ou drsquoun
concept existant dont on a modifieacute des composantes structurales Crsquoest pourquoi Amobi srsquoest
doteacute drsquoun banc drsquoessai pour siegravege visant agrave tester la conformiteacute aux Normes de seacutecuriteacute des
veacutehicules automobiles du Canada (NSVAC ou CMVSS - Canada Motor Vehicle Safety
Standards) no 207 et 210
Les essais effectueacutes visent agrave tester la reacuteaction du siegravege et de son ancrage agrave diffeacuterentes forces
appliqueacutees sur celui-ci Le banc est donc constitueacute drsquoun cadre de meacutetal sur lequel est installeacute un
exemple drsquoancrage de siegravege fourni par la compagnie Novabus client drsquoAmobi ainsi que drsquoune
uniteacute composeacutee de deux cylindres hydrauliques pour appliquer les forces en question
Figure 3 Banc drsquoessai agrave lrsquoœuvre sur un siegravege de la compagnie Amobi chez PMG Technologies agrave Blainville
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14 Mise en contexte de la probleacutematique
Preacutesentement lrsquoentreprise a un banc drsquoessai qui est utiliseacute pour effectuer les tests normatifs
exigeacutes par les normes CMVSS 207 et 210 Lrsquouniteacute de controcircle utiliseacute jusqursquoagrave ce jour preacutesente
des restrictions majeures tel que
1 Seule une personne expeacuterimenteacutee dans le controcircle des valves soleacutenoiumldes est apte agrave
opeacuterer le banc de faccedilon acceptable Le banc drsquoessai ne dispose pas drsquoune interface
homme-machine conviviale
2 Le controcircle des forces appliqueacutees par les veacuterins hydrauliques se fait par le reacuteglage des
valves Les forces ne sont pas appliqueacutees instantaneacutement
3 Le banc drsquoessai actuel ne permet pas drsquoappliquer deux forces simultaneacutement sur le
siegravege
4 Il y a un leacuteger deacuteplacement du siegravege pendant lrsquoopeacuteration du banc drsquoessai ce qui fait en
sorte que les forces reacuteelles appliqueacutees par les cylindres ne demeurent pas constantes
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai doit continuellement surveiller plusieurs manomegravetres et
ajuster la pression dans les cylindres pour corriger les effets de cette perturbation
5 La mesure des pressions deacuteployeacutees est peacutenible agrave cause de lrsquoimpreacutecision de lrsquoeacutechelle des
cadrans des manomegravetres Il est ainsi impossible drsquoopeacuterer le banc drsquoessai agrave basse
pression
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15 Objectifs contraintes et restrictions
Lrsquoobjectif principal de ce projet est de concevoir une uniteacute de controcircle reacutesolvant les restrictions
majeures que rencontre le banc drsquoessai preacutesentement En drsquoautres mots Amobi veut disposer
drsquoun banc drsquoessai permettant drsquoeffectuer tous les tests relieacutes aux normes CMVSS 207-210 en
gagnant en flexibiliteacute et faciliteacute drsquoutilisation Drsquoautre part lrsquoune des contraintes de ce projet est
lrsquoadaptation de la solution recommandeacutee sur le banc drsquoessai existant Il y a eacutegalement une
contrainte moneacutetaire puisque lrsquoinvestissement total de lrsquoensemble de la solution ne doit pas
deacutepasser 8000 $ Le client est agrave la recherche drsquoune solution la plus abordable possible puisque
le banc drsquoessai nrsquoest utiliseacute que quelques fois par anneacutee
16 Formulation du mandat
Les tacircches du mandat de ce projet sont les suivantes
1 Analyser lrsquouniteacute actuelle
2 Concevoir une uniteacute de controcircle incluant
La seacutelection des composantes hydrauliques et eacutelectroniques
Le plan du circuit hydraulique de la solution finale
Le programme de lrsquouniteacute de controcircle
3 Concevoir une interface homme-machine conviviale
4 Reacutediger un mode drsquoemploi pour lrsquoutilisation du banc drsquoessai
5 Eacutevaluer le budget neacutecessaire pour fabriquer la nouvelle uniteacute
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17 Normes applicables
La compagnie SRD Bolduc Inc a preacutepareacute en 2005 pour Amobi un document deacutecrivant les
proceacutedures agrave suivre les informations agrave rapporter et le format des rapports drsquoessais requis pour
deacutemontrer la conformiteacute de siegraveges de veacutehicules aux normes de seacutecuriteacute des veacutehicules
automobiles du Canada NSVACCMVSS no 207 (ancrage des siegraveges) et 210 (ancrage de
ceinture de seacutecuriteacute) Vous retrouvez ci-dessous la description des trois tests normatifs qui
doivent ecirctre effectueacutes sur les siegraveges que lrsquoon deacutesire tester
Test No 1ndash Application de la force produisant un couple [NSVAC 207 1(b)ii(A)]
Figure 4 Point drsquoapplication de la force
Eacutetape 1
Appliquer une charge (en livres) eacutegale agrave 3300 diviseacutee par la distance laquo D raquo La distance laquo D raquo
eacutetant la distance en pouces entre le point de reacutefeacuterence assise2 et la piegravece transversale la plus
eacuteleveacutee du dossier ou de la partie supeacuterieure du dossier La charge doit ecirctre appliqueacutee sur la
partie transversale la plus eacuteleveacutee du dossier et vers lrsquoarriegravere agrave un angle de 0 degreacute
Eacutetape 2
Relacirccher la charge
2 La meacutethode pour deacuteterminer le point de reacutefeacuterence assise est expliqueacutee en annexe
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Test No 2ndash Application de la charge vers lrsquoarriegravere [NSVAC 207 1(a)i(B)]
Figure 5 Point dapplication de la force
Eacutetape 1
Appliquer une charge (en livres) eacutegale agrave 20 fois le poids du siegravege sur un intervalle de temps de
29 secondes La charge doit ecirctre appliqueacutee au centre de graviteacute du siegravege et vers lrsquoarriegravere agrave un
angle de 0 degreacute
Eacutetape 2
Maintenir la charge pendant au moins 10 secondes
Eacutetape 3
Relacirccher la charge
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Test No 3ndash Application simultaneacutee des forces [NSVAC 207 1(a)ii]
Figure 6 Points drsquoapplication des charges
Eacutetape 1
Appliquer 2 charges simultaneacutement sur un intervalle de temps de 29 secondes
- La premiegravere charge (en livres) est eacutegale agrave 20 fois le poids du siegravege et est appliqueacutee au
centre de graviteacute du siegravege vers lrsquoavant agrave un angle de 0 degreacute
- La valeur de la seconde charge deacutepend du type de ceinture installeacutee sur le siegravege Srsquoil
srsquoagit drsquoune ceinture de type I3 la charge agrave appliquer est de 5000 livres Si la ceinture
est de type II4 la charge agrave appliquer est de 3000 livres Cette charge doit ecirctre appliqueacutee
par le biais drsquoune forme de corps retenue par la ceinture de seacutecuriteacute du veacutehicule agrave un
angle compris entre 5 et 10 degreacutes de lrsquohorizontale
Eacutetape 2
Maintenir les charges pendant au moins 10 secondes
Eacutetape 3
Relacirccher les charges
3 Ceinture de seacutecuriteacute agrave 2 points drsquoancrage ougrave une seule sangle est raccordeacutee de chaque cocircteacute du bassin 4 Ceinture de seacutecuriteacute agrave 3 points drsquoancrage ougrave la sangle agrave deux points remonte en travers la poitrine du passager
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2 CADRE THEacuteORIQUE ET EacuteLABORATION DES HYPOTHEgraveSES
21 Cadre theacuteorique
Tout systegraveme agrave fluide sous pression comme celui du banc drsquoessai est toujours composeacute de trois
types de composantes soit
‐ Les composantes actives qui convertissent et modulent lrsquoeacutenergie
‐ Les composantes de liaison qui acheminent lrsquoeacutenergie drsquoune composante active agrave une
autre du moteur agrave la charge
‐ Les composantes passives qui exercent des fonctions secondaires mais qui sont
essentielles pour assurer le bon fonctionnement du systegraveme
Figure 7 Diagramme des principales composantes dun systegraveme hydraulique
211 Composantes actives
2111 Geacuteneacuterateurs
Sur le banc drsquoessai crsquoest la pompe (geacuteneacuterateur pour les liquides) qui produit lrsquoeacutenergie fluide
(volume de fluide sous pression) La puissance fluide est le taux de variation de cette eacutenergie
fluide et est obtenue en multipliant le deacutebit Q et la pression p du fluide
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La pompe se caracteacuterise par sa cylindreacutee D qui deacutepend du volume de fluide refouleacute par uniteacute
de deacuteplacement angulaire de lrsquoarbre (tour ou radian) Les variables de sortie Q et P peuvent ecirctre
exprimeacutees en fonction des variables drsquoentreacutee ωi et Ti selon les eacutequations suivantes
Q ω D
ougrave Q = deacutebit (m3s)
ωi = vitesse angulaire (rads)
D = cylindreacutee (m3rad)
p = pression (Pa)
Ti = couple (Nm)
En consideacuterant la pompe comme un geacuteneacuterateur ideacuteal permettant de transformer lrsquoeacutenergie fluide
sans aucune perte on peut affirmer que la puissance fluide P au refoulement est eacutegale agrave la
puissance meacutecanique drsquoentreacutee Pi soit
ougrave
ougrave Pi est exprimeacute en watts
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2112 Modulateurs
Les modulateurs dans le systegraveme hydraulique sont les valves de direction (distributeurs) les
valves de pression et les valves de deacutebit Sur le banc drsquoessai les valves de direction
(distributeurs) permettent de diriger le fluide drsquoun cocircteacute ou de lrsquoautre dans les veacuterins
(reacutecepteurs) pour qursquoils puissent travailler dans la direction voulue
Les valves de pression et les valves de deacutebit servent respectivement agrave controcircler la pression et le
deacutebit du fluide qui est livreacute aux reacutecepteurs (veacuterins) Lorsque lrsquohuile hydraulique traverse une
valve de pression le fluide est soumis agrave une reacuteduction de pression (de p agrave prsquo) et lorsque cette
huile traverse une valve de deacutebit elle subit une limitation de deacutebit (de Q agrave Qrsquo)
2113 Reacutecepteurs
Les reacutecepteurs dans le systegraveme hydraulique sont agrave mouvement lineacuteaire Les veacuterins sont des
reacutecepteurs qui absorbent lrsquoeacutenergie fluide et la transforment pour produire un travail meacutecanique
en translation Le veacuterin reccediloit le fluide sous pression et en extrait lrsquoeacutenergie avant de le renvoyer
vers le reacuteservoir Le veacuterin est caracteacuteriseacute par une aire A Ainsi on peut exprimer les deux
variables de sortie vo et Fo en fonction des deux variables drsquoentreacutee prsquo et Qrsquo selon les eacutequations
suivantes
prime
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Dans le cas drsquoun veacuterin ideacuteal on peut eacutecrire
Soit
Ougrave vo = vitesse (ms)
A = aire effective (m2)
Fo = force (N)
212 Composantes de liaison
Dans le systegraveme hydraulique les composantes de liaison sont le fluide lui-mecircme et les diverses
canalisations Lrsquohuile hydraulique (fluide) sert agrave transporter lrsquoeacutenergie fluide mais aussi agrave
lubrifier les piegraveces mobiles des veacuterins Cette huile circule dans les canalisations drsquoune
composante agrave une autre Pour eacuteviter drsquoinfluencer lrsquoefficaciteacute et la fiabiliteacute du systegraveme
hydraulique on doit bien choisir dimensionner et installer les canalisations
213 Composantes passives
Les composantes passives du systegraveme hydraulique sont respectivement le reacuteservoir de la pompe
qui permet le stockage de lrsquohuile et la creacutepine qui est un filtre grossier qui protegravege le fluide
contre les polluants externes
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22 Eacutelaboration des hypothegraveses
Voici toutes les hypothegraveses qui ont eacuteteacute poseacutees dans le cadre de ce projet
- La pompe fournie suffisamment de puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins
simultaneacutement
- Les pertes volumeacutetriques dans le circuit sont consideacutereacutees comme eacutetant neacutegligeables
- La pompe se deacutecharge par une valve de mise agrave vide lorsque les veacuterins sont au repos
- Le troisiegraveme distributeur installeacute par Geacuteliko Inc est inutile actuellement
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3 MISE EN ŒUVRE DU MANDAT
31 La recherche de solutions
311 Solution No 1 - Automate programmable
Un automate programmable industriel (API) est un dispositif eacutelectronique qui exerce des
fonctions de controcircle de processus industriels Sa fonction est drsquoenvoyer des commandes aux
preacuteactionneurs (ex les valves) agrave partir des donneacutees drsquoentreacutees qui proviennent des diffeacuterents
capteurs LrsquoAPI est composeacutee drsquoune uniteacute de calculs (processeur) drsquoune alimentation ACDC
et de modules qui sont choisis selon les besoins de lrsquoapplication tel que les cartes drsquoentreacutees-
sorties les modules de communication les modules de commande etc LrsquoAPI peut ecirctre relieacutee agrave
une interface homme-machine agrave un pupitre opeacuterateur agrave une interface graphique ou agrave un
ordinateur Les langages de programmation standards de lrsquoAPI sont le Grafcet et le Ladder
Figure 8 API de marque Allen-Bradley
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Tableau 1 Avantages et inconveacutenients drsquoun automate programmable
Avantages Inconveacutenients
Peu encombrant
Temps de reacuteponse rapide
Facile agrave programmer
Consommation eacutelectrique
acceptable
Configurables et extensibles par
modules
Robuste
Dispendieux pour les petites ou
simples applications
Logiciel de programmation non
gratuit
312 Solution No 2 - Microcontrocircleur
Un microcontrocircleur est comme lrsquoAPI un dispositif eacutelectronique programmable qui peut lire des
signaux drsquoentreacutees et envoyer des signaux de commande agrave des peacuteripheacuteriques externes De plus
le microcontrocircleur rassemble dans un circuit inteacutegreacute tous les eacuteleacutements essentiels agrave son bon
fonctionnement soit le processeur la meacutemoire les uniteacutes peacuteripheacuteriques et les interfaces
drsquoentreacutees-sorties Les langages de programmation des microcontrocircleurs sont varieacutes Basic C
C++ Java etc
Figure 9 Microcontrocircleur de marque Arduino
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Tableau 2 Avantages et inconveacutenients drsquoun microcontrocircleur
Avantages Inconveacutenients
Tregraves peu encombrant
Tregraves faible consommation
eacutelectrique
Logiciel de programmation
geacuteneacuteralement gratuit
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Peu drsquoentreacuteessorties
Langages de programmation plus
contraignants que le Ladder et le
Grafcet
Non extensible
Tregraves fragile
Vitesse de fonctionnement plus
faible
313 Solution No 3 - Relais
Avant lrsquoavegravenement de lrsquoautomate programmable dans le deacutebut des anneacutees 1970 les systegravemes
eacutetaient automatiseacutes agrave lrsquoaide de relais Les relais peuvent ecirctre activeacutes et deacutesactiveacutes sans
interrupteur manuel Aujourdrsquohui les relais servent agrave reacuteduire la taille des panneaux de controcircle
des machines ou agrave creacuteer des cycles drsquoautomatismes simples Mais pour les automatismes qui
requiegraverent un grand nombre drsquoentreacutees sorties on doit remplacer le systegraveme de relayage
devenant trop complexe par un automate programmable
Figure 10 Relais meacutecanique
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Tableau 3 Avantages et inconveacutenients drsquoun relais
Avantages Inconveacutenients
Pas de programmation requise
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Tregraves encombrant
Solution non ideacuteale pour creacuteer des
cycles drsquoautomatismes complexes
Technologie vieillissante
32 Eacutelaboration du baregraveme
Le baregraveme est essentiel lors de lrsquoeacutetape de la prise de deacutecision pour accorder le pointage agrave
chaque solution et pour permettre au concepteur de se fixer des prioriteacutes de conception Le
baregraveme est conccedilu en fonction des critegraveres de qualiteacutes rechercheacutees que lrsquoon associe agrave une eacutechelle
de satisfaction avec une pondeacuteration de 1 agrave 4
Tableau 4 Baregraveme
Critegraveres Objectif 1 2 3 4 Simpliciteacute La programmation
etou lrsquoinstallation de la solution doivent ecirctre faciles
Tregraves difficile Difficile Facile Tregraves facile
Compatibiliteacute Lrsquouniteacute doit ecirctre compatible avec les eacutequipements du banc drsquoessai
Pas compatible Peu compatible Compatible Tregraves compatible
Espace Lrsquoespace requis pour installer lrsquouniteacute est limiteacute
Volume imposant Volume eacuteleveacute Volume moyen Volume neacutegligeable
Fiabiliteacute Durabiliteacute
Lrsquouniteacute doit ecirctre fiable et durable
Tregraves faible Moyennement faible
Moyennement eacuteleveacute
Eacuteleveacute
Coucirct Les contraintes budgeacutetaires doivent ecirctre respecteacutees
Tregraves dispendieux Dispendieux Abordable Tregraves abordable
Efficaciteacute eacutenergeacutetique
La consommation eacutelectrique doit diminuer
Consommation eacuteleveacutee
Consommation normale
Consommation faible
Consommation tregraves faible
Seacutecuriteacute Les risques drsquoaccident de travail doivent diminuer
Tregraves risqueacute Risqueacute Peu risqueacute Aucun risque
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33 Matrice de deacutecision Le tableau suivant preacutesente la matrice de deacutecision Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation de chacune des
solutions on a attribueacute agrave chaque critegravere une note situeacutee en 1 et 4 Les notes des critegraveres sont
multiplieacutees par leurs pondeacuterations respectives ils sont ensuite additionneacutes puis enfin diviser par
4 pour obtenir la note en pourcentage de chaque solution Selon les scores obtenus crsquoest
lrsquoautomate programmable qui est consideacutereacute comme eacutetant la meilleure uniteacute de controcircle
Tableau 5 Matrice de deacutecision
Critegraveres Pondeacuteration Solution 1 2 3
Automate programmable
Microcontrocircleur Relais
Simpliciteacute 30 4 3 1 Compatibiliteacute 20 4 2 1
Espace 5 3 4 1 FiabiliteacuteDurabiliteacute 10 4 2 1
Coucirct 15 2 4 3 Efficaciteacute
eacutenergeacutetique 5 3 4 2
Seacutecuriteacute 15 4 1 1 Reacutesultat 100 90 662 338
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34 La conception de la solution recommandeacutee
341 Eacutetude du systegraveme hydraulique existant
La preacutesente section est une eacutetude plus deacutetailleacutee portant sur les principales composantes dont est
constitueacute le banc drsquoessai actuel Lrsquoeacutetude comporte une analyse de leurs caracteacuteristiques
principales et de leurs modes de fonctionnements On y preacutesente eacutegalement les symboles
graphiques de ces composantes Cette eacutetude est une eacutetape primordiale pour pouvoir bien choisir
les nouveaux eacutequipements et concevoir le circuit hydraulique de la solution finale
3411 Ensemble pompe-moteur-reacuteservoir
Comme dans les tous systegravemes hydrauliques le banc drsquoessai dispose drsquoun ensemble pompe-
moteur-reacuteservoir La pompe transforme lrsquoeacutenergie meacutecanique fournie par le moteur eacutelectrique
rotatif en eacutenergie fluide La pompe deacutemarre degraves qursquoon branche le moteur eacutelectrique agrave la prise de
courant Vous retrouverez ci-dessous les speacutecifications de ces composantes et une photo prise
sur place de lrsquoensemble
Moteur eacutelectrique AC
Figure 11 Repreacutesentation scheacutematique du moteur eacutelectrique AC
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Tableau 6 Speacutecifications du moteur eacutelectrique
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Puissance
(HP)
Voltage
(V)
Vitesse
(RPM)
HY-SPEC MFG03 HYSW850203-1G 1 110220 1800
Pompe
Tableau 7 Speacutecifications de la pompe (supposition5)
Marque Deacutebit max
(GPM)
Pression max
(PSI)
Cylindreacutee
(cm3tr)
Inconnu 18 3200 PSI 4
Reacuteservoir
Figure 12 Repreacutesentation scheacutematique du reacuteservoir
5 Le deacutebit et la pression pouvant ecirctre fournie par la pompe sont des informations qui ont eacuteteacute fournies par
lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai mais qui ne sont pas veacuterifiables
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Tableau 8 Speacutecifications du reacuteservoir
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Volume
(L)
HY-SPEC V120 HYSW880117 12
Figure 13 Photo de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir
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3412 Bloc Manifold (bloc foreacute)
Un bloc manifold est un bloc de meacutetal avec plusieurs canaux inteacutegreacute conccedilu pour la conduite de
fluide dans des espaces confineacutes On retrouve sur le bloc des caviteacutes dans lesquelles on peut
installer diffeacuterentes composantes hydrauliques (valves manomegravetres tuyau etc)
Tableau 9 Speacutecifications du bloc manifold
Marque Numeacutero de
seacuterie
Description Nombre
de
sections
Ports Orifice
de
seacutecuriteacute
Pression
drsquoopeacuteration
maximale
(PSI)
HY-
SPEC
HYSDD03-
P-03-2SS
Type D03
Circuit
parallegravele
3 P amp T = SAE 10
A amp B = SAE 8
GA = SAE 6
T-10A 5000
Figure 14 Photo du bloc manifold
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3413 Veacuterins
Les 2 veacuterins hydrauliques utiliseacutes dans le banc drsquoessai sont des veacuterins agrave mouvement lineacuteaire et agrave
double effet (deux directions de travail) qui convertissent lrsquoeacutenergie fluide en eacutenergie
meacutecanique Chaque veacuterin est composeacute drsquoun tube cylindrique (le cylindre) dans lequel est
inseacutereacutee une piegravece mobile (le corps du piston) qui assure lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre deux chambres La
tige rigide qui est relieacutee au corps du piston sert agrave transmettre lrsquoeffort et le deacuteplacement Les
veacuterins comportent deux orifices (alimentation et refoulement) et la pression peut ecirctre appliqueacutee
de chaque cocircteacute du piston pour entraicircner son deacuteplacement dans un sens ou dans lautre Ce sont
les distributeurs qui permettent drsquointervertir les rocircles des deux orifices pour controcircler la
direction de la tige
Par ailleurs il peut y avoir des fuites volumeacutetriques internes et externes dans les veacuterins et qui
sont indeacutesirables car elles reacuteduisent la dureacutee de vie et le rendement des veacuterins La fuite interne
est en fait un eacutecoulement de lrsquohuile de la chambre agrave haute pression vers la chambre agrave basse
pression qui est due au jeu entre le corps du piston et la paroi interne du cylindre Il peut
eacutegalement y avoir une fuite externe due au jeu entre la tige du piston et la tecircte du cylindre Pour
reacuteduire ces fuites on installe des joints drsquoeacutetancheacuteiteacutes sur le corps du piston et sur la tecircte du
cylindre
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees)
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Leacutegende
1 Cylindre 5 Chambre de refoulement
2 Piston A Orifice drsquoadmission
3 Tige R Orifice de refoulement
4 Chambre drsquoadmission
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin
La principale caracteacuteristique des veacuterins est lrsquoaire effective sur laquelle le fluide exerce une
pression Les aires effectives du corps du piston (cocircteacute fond du veacuterin et cocircteacute tecircte du veacuterin) sont
diffeacuterentes agrave cause de la preacutesence de la tige sur une seule face du corps du piston Par
conseacutequent pour des mecircmes pressions drsquoadmission la force de contraction est plus faible que
la force drsquoextension Les eacutequations ci-dessous servent agrave convertir les forces (lb) en pression
(psi) selon le sens drsquoapplication du veacuterin
Calcul pour la conversion force-pression
Diamegravetre du piston6 25 po
Diamegravetre de la tige 15 po
lowast egrave
4lowast 25po
449087
lowast egrave
4lowast 15po
417671
ocirc eacute ecirc eacute
ocirc eacute eacute
6 Bore est le terme eacutequivalent du corps du piston
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Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins
Marque Numeacutero de seacuterie Type drsquoorifices Poids
(livres)
Pression
maximale
(pouce)
HY-SPEC HYS 25FEM24-NW SAE-8 40 3000 PSI
3414 Manomegravetre
Actuellement les pressions exerceacutees dans le bloc manifold et dans chaque chambre des veacuterins
sont mesureacutees agrave lrsquoaide de manomegravetre agrave glyceacuterine
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine
Marque Numeacutero de seacuterie Localisation Diamegravetre
(pouce)
Connexion Eacutechelle du
cadran
(PSI)
HY-
SPEC
HYSG22LXB3000PSI-
14NPT
Bloc
manifold
25
frac14 NPT
0 agrave 3000
HY-
SPEC
HYSG22LXB5000PSI-
14NPT
2 par veacuterin 0 agrave 5000
G
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold
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3415 Les distributeurs
Dans le systegraveme hydraulique les distributeurs (valves de distribution) sont les composantes
actives (modulateurs) qui permettent la distribution du flux drsquoeacutenergie vers les 2 veacuterins
(reacutecepteurs) pour les libeacuterer les arrecircter ou les reacutetracter Sur les trois distributeurs installeacutes sur le
banc drsquoessai seuls 2 drsquoentre eux sont utiliseacutes Le troisiegraveme distributeur a eacuteteacute installeacute au cas ougrave
un troisiegraveme veacuterin serait neacutecessaire pour reacutealiser des tests futurs drsquoapregraves lrsquoopeacuterateur du banc
drsquoessai Il srsquoagit de distributeurs agrave tiroir (de type coulissant) agrave quatre orifices et agrave trois positions
agrave action piloteacutee agrave commande eacutelectrique par soleacutenoiumldes et agrave centrage par ressort de rappel
En alimentant lrsquoun des deux soleacutenoiumldes avec un courant eacutelectrique le tiroir du distributeur se
deacuteplace et lrsquohuile circule par des canaux internes de la valve vers lrsquoune des extreacutemiteacutes du tiroir
principal pendant que lrsquoautre extreacutemiteacute de ce tiroir est raccordeacutee au reacuteservoir du systegraveme par
lrsquoaction du distributeur pilote La pression qui srsquoexerce sur la face du tiroir principal engendre
une force qui pousse ce dernier et le maintien en position agrave voies parallegraveles ou en position agrave
voies croiseacutees En alternant entre la position agrave voies parallegraveles et la position agrave voies croiseacutees le
sens de lrsquoeacutecoulement du fluide dans le veacuterin change et donc le sens de lrsquoapplication de la force
Par ailleurs lorsque les deux soleacutenoiumldes du distributeur ne sont plus alimenteacutes par un courant
eacutelectrique le tiroir principal revient agrave sa position de repos gracircce agrave la pousseacutee du ressort de
rappel Puisqursquoil srsquoagit de distributeurs agrave centre fermeacute lrsquohuile ne peut alors plus circuler dans
les distributeurs et ecirctre achemineacutee dans les veacuterins
Figure 18 Les trois positions des distributeurs
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Leacutegende
T Orifice du reacuteservoir
P Orifice de la pompe
A amp B Admission et refoulement
1 Tiroir
2 Corps de valve
3 Ressort de rappel
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute
Figure 20 Photos des 3 distributeurs
Marque Numeacutero de seacuterie Tension
(V)
Deacutebit
max
(GPM)
Pression admissible
(PSI)
HY-
SPEC
HYSFW-02-3C2-
B110-Z5L-50
24 DC 9 4750
(Orifice A B P)
2320
(Orifice T)
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La commande des distributeurs
Actuellement lrsquoalimentation des soleacutenoiumldes en courant se fait via deux manettes de controcircle
On retrouve sur ces manettes au total 6 boutons qui permettent lrsquoactivation de chacun des
soleacutenoiumldes Le soleacutenoiumlde demeure alimenteacute tant que lrsquoopeacuterateur exerce une pression sur le
bouton Eacutevidemment ces manettes deviendront inutiles lorsque les soleacutenoiumldes seront alimenteacutes
par lrsquoautomate programmable dans la solution finale
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle
Marque Numeacutero de seacuterie Nombre de boutons
HY-SPEC
HYST90009-3P 2
HYST90012-3P 4
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle
Figure 22 Boicircte de conversion7 entre la manette et le distributeur
7 Aucune speacutecification nrsquoest disponible pour la boicircte de conversion des manettes de controcircle
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3416 Limiteurs de deacutebit
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit
Les limiteurs de deacutebit permettent de controcircler les deacutebits drsquoalimentation des veacuterins et par ce fait
les vitesses de sortie et de rentreacutee des tiges des deux veacuterins Pour y arriver ces valves reacutegulent
le deacutebit du fluide en diminuant la section de lrsquoouverture emprunteacutee par celui-ci Le deacutebit est
proportionnel agrave cette ouverture et agrave la racine carreacutee de la perte de charge Sur le banc drsquoessai on
retrouve 2 eacutetrangleurs reacuteglables agrave pointeau par veacuterin Lrsquoeacutetrangleur agrave pointeau est coupleacute dans le
mecircme corps de la valve avec un clapet de retenue avec ressort8 pour que le deacutebit ne soit limiteacute
que dans un seul sens de lrsquoeacutecoulement
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort
Marque Numeacutero de seacuterie Type
Vickers DGMFN-3-Y-A2W-B2W-41 Port double
8 Il y a ouverture du clapet si la pression drsquoentreacutee est supeacuterieure agrave la somme de la pression de sortie et de la pression du ressort
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
Vinc
342
Parm
press
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342
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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13 Description du proceacutedeacute
Les produits drsquoAmobi sont faits selon les besoins des clients et la majoriteacute de ceux-ci deacutesirent
que les siegraveges installeacutes dans leurs veacutehicules soient conformes aux normes volontaires de
Transport Canada Pour srsquoassurer de cette conformiteacute la compagnie doit tester elle-mecircme ses
siegraveges avant drsquoen produire un grand nombre lorsqursquoil srsquoagit drsquoun nouveau concept ou drsquoun
concept existant dont on a modifieacute des composantes structurales Crsquoest pourquoi Amobi srsquoest
doteacute drsquoun banc drsquoessai pour siegravege visant agrave tester la conformiteacute aux Normes de seacutecuriteacute des
veacutehicules automobiles du Canada (NSVAC ou CMVSS - Canada Motor Vehicle Safety
Standards) no 207 et 210
Les essais effectueacutes visent agrave tester la reacuteaction du siegravege et de son ancrage agrave diffeacuterentes forces
appliqueacutees sur celui-ci Le banc est donc constitueacute drsquoun cadre de meacutetal sur lequel est installeacute un
exemple drsquoancrage de siegravege fourni par la compagnie Novabus client drsquoAmobi ainsi que drsquoune
uniteacute composeacutee de deux cylindres hydrauliques pour appliquer les forces en question
Figure 3 Banc drsquoessai agrave lrsquoœuvre sur un siegravege de la compagnie Amobi chez PMG Technologies agrave Blainville
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14 Mise en contexte de la probleacutematique
Preacutesentement lrsquoentreprise a un banc drsquoessai qui est utiliseacute pour effectuer les tests normatifs
exigeacutes par les normes CMVSS 207 et 210 Lrsquouniteacute de controcircle utiliseacute jusqursquoagrave ce jour preacutesente
des restrictions majeures tel que
1 Seule une personne expeacuterimenteacutee dans le controcircle des valves soleacutenoiumldes est apte agrave
opeacuterer le banc de faccedilon acceptable Le banc drsquoessai ne dispose pas drsquoune interface
homme-machine conviviale
2 Le controcircle des forces appliqueacutees par les veacuterins hydrauliques se fait par le reacuteglage des
valves Les forces ne sont pas appliqueacutees instantaneacutement
3 Le banc drsquoessai actuel ne permet pas drsquoappliquer deux forces simultaneacutement sur le
siegravege
4 Il y a un leacuteger deacuteplacement du siegravege pendant lrsquoopeacuteration du banc drsquoessai ce qui fait en
sorte que les forces reacuteelles appliqueacutees par les cylindres ne demeurent pas constantes
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai doit continuellement surveiller plusieurs manomegravetres et
ajuster la pression dans les cylindres pour corriger les effets de cette perturbation
5 La mesure des pressions deacuteployeacutees est peacutenible agrave cause de lrsquoimpreacutecision de lrsquoeacutechelle des
cadrans des manomegravetres Il est ainsi impossible drsquoopeacuterer le banc drsquoessai agrave basse
pression
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15 Objectifs contraintes et restrictions
Lrsquoobjectif principal de ce projet est de concevoir une uniteacute de controcircle reacutesolvant les restrictions
majeures que rencontre le banc drsquoessai preacutesentement En drsquoautres mots Amobi veut disposer
drsquoun banc drsquoessai permettant drsquoeffectuer tous les tests relieacutes aux normes CMVSS 207-210 en
gagnant en flexibiliteacute et faciliteacute drsquoutilisation Drsquoautre part lrsquoune des contraintes de ce projet est
lrsquoadaptation de la solution recommandeacutee sur le banc drsquoessai existant Il y a eacutegalement une
contrainte moneacutetaire puisque lrsquoinvestissement total de lrsquoensemble de la solution ne doit pas
deacutepasser 8000 $ Le client est agrave la recherche drsquoune solution la plus abordable possible puisque
le banc drsquoessai nrsquoest utiliseacute que quelques fois par anneacutee
16 Formulation du mandat
Les tacircches du mandat de ce projet sont les suivantes
1 Analyser lrsquouniteacute actuelle
2 Concevoir une uniteacute de controcircle incluant
La seacutelection des composantes hydrauliques et eacutelectroniques
Le plan du circuit hydraulique de la solution finale
Le programme de lrsquouniteacute de controcircle
3 Concevoir une interface homme-machine conviviale
4 Reacutediger un mode drsquoemploi pour lrsquoutilisation du banc drsquoessai
5 Eacutevaluer le budget neacutecessaire pour fabriquer la nouvelle uniteacute
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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17 Normes applicables
La compagnie SRD Bolduc Inc a preacutepareacute en 2005 pour Amobi un document deacutecrivant les
proceacutedures agrave suivre les informations agrave rapporter et le format des rapports drsquoessais requis pour
deacutemontrer la conformiteacute de siegraveges de veacutehicules aux normes de seacutecuriteacute des veacutehicules
automobiles du Canada NSVACCMVSS no 207 (ancrage des siegraveges) et 210 (ancrage de
ceinture de seacutecuriteacute) Vous retrouvez ci-dessous la description des trois tests normatifs qui
doivent ecirctre effectueacutes sur les siegraveges que lrsquoon deacutesire tester
Test No 1ndash Application de la force produisant un couple [NSVAC 207 1(b)ii(A)]
Figure 4 Point drsquoapplication de la force
Eacutetape 1
Appliquer une charge (en livres) eacutegale agrave 3300 diviseacutee par la distance laquo D raquo La distance laquo D raquo
eacutetant la distance en pouces entre le point de reacutefeacuterence assise2 et la piegravece transversale la plus
eacuteleveacutee du dossier ou de la partie supeacuterieure du dossier La charge doit ecirctre appliqueacutee sur la
partie transversale la plus eacuteleveacutee du dossier et vers lrsquoarriegravere agrave un angle de 0 degreacute
Eacutetape 2
Relacirccher la charge
2 La meacutethode pour deacuteterminer le point de reacutefeacuterence assise est expliqueacutee en annexe
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Test No 2ndash Application de la charge vers lrsquoarriegravere [NSVAC 207 1(a)i(B)]
Figure 5 Point dapplication de la force
Eacutetape 1
Appliquer une charge (en livres) eacutegale agrave 20 fois le poids du siegravege sur un intervalle de temps de
29 secondes La charge doit ecirctre appliqueacutee au centre de graviteacute du siegravege et vers lrsquoarriegravere agrave un
angle de 0 degreacute
Eacutetape 2
Maintenir la charge pendant au moins 10 secondes
Eacutetape 3
Relacirccher la charge
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Test No 3ndash Application simultaneacutee des forces [NSVAC 207 1(a)ii]
Figure 6 Points drsquoapplication des charges
Eacutetape 1
Appliquer 2 charges simultaneacutement sur un intervalle de temps de 29 secondes
- La premiegravere charge (en livres) est eacutegale agrave 20 fois le poids du siegravege et est appliqueacutee au
centre de graviteacute du siegravege vers lrsquoavant agrave un angle de 0 degreacute
- La valeur de la seconde charge deacutepend du type de ceinture installeacutee sur le siegravege Srsquoil
srsquoagit drsquoune ceinture de type I3 la charge agrave appliquer est de 5000 livres Si la ceinture
est de type II4 la charge agrave appliquer est de 3000 livres Cette charge doit ecirctre appliqueacutee
par le biais drsquoune forme de corps retenue par la ceinture de seacutecuriteacute du veacutehicule agrave un
angle compris entre 5 et 10 degreacutes de lrsquohorizontale
Eacutetape 2
Maintenir les charges pendant au moins 10 secondes
Eacutetape 3
Relacirccher les charges
3 Ceinture de seacutecuriteacute agrave 2 points drsquoancrage ougrave une seule sangle est raccordeacutee de chaque cocircteacute du bassin 4 Ceinture de seacutecuriteacute agrave 3 points drsquoancrage ougrave la sangle agrave deux points remonte en travers la poitrine du passager
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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2 CADRE THEacuteORIQUE ET EacuteLABORATION DES HYPOTHEgraveSES
21 Cadre theacuteorique
Tout systegraveme agrave fluide sous pression comme celui du banc drsquoessai est toujours composeacute de trois
types de composantes soit
‐ Les composantes actives qui convertissent et modulent lrsquoeacutenergie
‐ Les composantes de liaison qui acheminent lrsquoeacutenergie drsquoune composante active agrave une
autre du moteur agrave la charge
‐ Les composantes passives qui exercent des fonctions secondaires mais qui sont
essentielles pour assurer le bon fonctionnement du systegraveme
Figure 7 Diagramme des principales composantes dun systegraveme hydraulique
211 Composantes actives
2111 Geacuteneacuterateurs
Sur le banc drsquoessai crsquoest la pompe (geacuteneacuterateur pour les liquides) qui produit lrsquoeacutenergie fluide
(volume de fluide sous pression) La puissance fluide est le taux de variation de cette eacutenergie
fluide et est obtenue en multipliant le deacutebit Q et la pression p du fluide
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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La pompe se caracteacuterise par sa cylindreacutee D qui deacutepend du volume de fluide refouleacute par uniteacute
de deacuteplacement angulaire de lrsquoarbre (tour ou radian) Les variables de sortie Q et P peuvent ecirctre
exprimeacutees en fonction des variables drsquoentreacutee ωi et Ti selon les eacutequations suivantes
Q ω D
ougrave Q = deacutebit (m3s)
ωi = vitesse angulaire (rads)
D = cylindreacutee (m3rad)
p = pression (Pa)
Ti = couple (Nm)
En consideacuterant la pompe comme un geacuteneacuterateur ideacuteal permettant de transformer lrsquoeacutenergie fluide
sans aucune perte on peut affirmer que la puissance fluide P au refoulement est eacutegale agrave la
puissance meacutecanique drsquoentreacutee Pi soit
ougrave
ougrave Pi est exprimeacute en watts
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2112 Modulateurs
Les modulateurs dans le systegraveme hydraulique sont les valves de direction (distributeurs) les
valves de pression et les valves de deacutebit Sur le banc drsquoessai les valves de direction
(distributeurs) permettent de diriger le fluide drsquoun cocircteacute ou de lrsquoautre dans les veacuterins
(reacutecepteurs) pour qursquoils puissent travailler dans la direction voulue
Les valves de pression et les valves de deacutebit servent respectivement agrave controcircler la pression et le
deacutebit du fluide qui est livreacute aux reacutecepteurs (veacuterins) Lorsque lrsquohuile hydraulique traverse une
valve de pression le fluide est soumis agrave une reacuteduction de pression (de p agrave prsquo) et lorsque cette
huile traverse une valve de deacutebit elle subit une limitation de deacutebit (de Q agrave Qrsquo)
2113 Reacutecepteurs
Les reacutecepteurs dans le systegraveme hydraulique sont agrave mouvement lineacuteaire Les veacuterins sont des
reacutecepteurs qui absorbent lrsquoeacutenergie fluide et la transforment pour produire un travail meacutecanique
en translation Le veacuterin reccediloit le fluide sous pression et en extrait lrsquoeacutenergie avant de le renvoyer
vers le reacuteservoir Le veacuterin est caracteacuteriseacute par une aire A Ainsi on peut exprimer les deux
variables de sortie vo et Fo en fonction des deux variables drsquoentreacutee prsquo et Qrsquo selon les eacutequations
suivantes
prime
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Dans le cas drsquoun veacuterin ideacuteal on peut eacutecrire
Soit
Ougrave vo = vitesse (ms)
A = aire effective (m2)
Fo = force (N)
212 Composantes de liaison
Dans le systegraveme hydraulique les composantes de liaison sont le fluide lui-mecircme et les diverses
canalisations Lrsquohuile hydraulique (fluide) sert agrave transporter lrsquoeacutenergie fluide mais aussi agrave
lubrifier les piegraveces mobiles des veacuterins Cette huile circule dans les canalisations drsquoune
composante agrave une autre Pour eacuteviter drsquoinfluencer lrsquoefficaciteacute et la fiabiliteacute du systegraveme
hydraulique on doit bien choisir dimensionner et installer les canalisations
213 Composantes passives
Les composantes passives du systegraveme hydraulique sont respectivement le reacuteservoir de la pompe
qui permet le stockage de lrsquohuile et la creacutepine qui est un filtre grossier qui protegravege le fluide
contre les polluants externes
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22 Eacutelaboration des hypothegraveses
Voici toutes les hypothegraveses qui ont eacuteteacute poseacutees dans le cadre de ce projet
- La pompe fournie suffisamment de puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins
simultaneacutement
- Les pertes volumeacutetriques dans le circuit sont consideacutereacutees comme eacutetant neacutegligeables
- La pompe se deacutecharge par une valve de mise agrave vide lorsque les veacuterins sont au repos
- Le troisiegraveme distributeur installeacute par Geacuteliko Inc est inutile actuellement
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3 MISE EN ŒUVRE DU MANDAT
31 La recherche de solutions
311 Solution No 1 - Automate programmable
Un automate programmable industriel (API) est un dispositif eacutelectronique qui exerce des
fonctions de controcircle de processus industriels Sa fonction est drsquoenvoyer des commandes aux
preacuteactionneurs (ex les valves) agrave partir des donneacutees drsquoentreacutees qui proviennent des diffeacuterents
capteurs LrsquoAPI est composeacutee drsquoune uniteacute de calculs (processeur) drsquoune alimentation ACDC
et de modules qui sont choisis selon les besoins de lrsquoapplication tel que les cartes drsquoentreacutees-
sorties les modules de communication les modules de commande etc LrsquoAPI peut ecirctre relieacutee agrave
une interface homme-machine agrave un pupitre opeacuterateur agrave une interface graphique ou agrave un
ordinateur Les langages de programmation standards de lrsquoAPI sont le Grafcet et le Ladder
Figure 8 API de marque Allen-Bradley
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Tableau 1 Avantages et inconveacutenients drsquoun automate programmable
Avantages Inconveacutenients
Peu encombrant
Temps de reacuteponse rapide
Facile agrave programmer
Consommation eacutelectrique
acceptable
Configurables et extensibles par
modules
Robuste
Dispendieux pour les petites ou
simples applications
Logiciel de programmation non
gratuit
312 Solution No 2 - Microcontrocircleur
Un microcontrocircleur est comme lrsquoAPI un dispositif eacutelectronique programmable qui peut lire des
signaux drsquoentreacutees et envoyer des signaux de commande agrave des peacuteripheacuteriques externes De plus
le microcontrocircleur rassemble dans un circuit inteacutegreacute tous les eacuteleacutements essentiels agrave son bon
fonctionnement soit le processeur la meacutemoire les uniteacutes peacuteripheacuteriques et les interfaces
drsquoentreacutees-sorties Les langages de programmation des microcontrocircleurs sont varieacutes Basic C
C++ Java etc
Figure 9 Microcontrocircleur de marque Arduino
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Tableau 2 Avantages et inconveacutenients drsquoun microcontrocircleur
Avantages Inconveacutenients
Tregraves peu encombrant
Tregraves faible consommation
eacutelectrique
Logiciel de programmation
geacuteneacuteralement gratuit
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Peu drsquoentreacuteessorties
Langages de programmation plus
contraignants que le Ladder et le
Grafcet
Non extensible
Tregraves fragile
Vitesse de fonctionnement plus
faible
313 Solution No 3 - Relais
Avant lrsquoavegravenement de lrsquoautomate programmable dans le deacutebut des anneacutees 1970 les systegravemes
eacutetaient automatiseacutes agrave lrsquoaide de relais Les relais peuvent ecirctre activeacutes et deacutesactiveacutes sans
interrupteur manuel Aujourdrsquohui les relais servent agrave reacuteduire la taille des panneaux de controcircle
des machines ou agrave creacuteer des cycles drsquoautomatismes simples Mais pour les automatismes qui
requiegraverent un grand nombre drsquoentreacutees sorties on doit remplacer le systegraveme de relayage
devenant trop complexe par un automate programmable
Figure 10 Relais meacutecanique
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Tableau 3 Avantages et inconveacutenients drsquoun relais
Avantages Inconveacutenients
Pas de programmation requise
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Tregraves encombrant
Solution non ideacuteale pour creacuteer des
cycles drsquoautomatismes complexes
Technologie vieillissante
32 Eacutelaboration du baregraveme
Le baregraveme est essentiel lors de lrsquoeacutetape de la prise de deacutecision pour accorder le pointage agrave
chaque solution et pour permettre au concepteur de se fixer des prioriteacutes de conception Le
baregraveme est conccedilu en fonction des critegraveres de qualiteacutes rechercheacutees que lrsquoon associe agrave une eacutechelle
de satisfaction avec une pondeacuteration de 1 agrave 4
Tableau 4 Baregraveme
Critegraveres Objectif 1 2 3 4 Simpliciteacute La programmation
etou lrsquoinstallation de la solution doivent ecirctre faciles
Tregraves difficile Difficile Facile Tregraves facile
Compatibiliteacute Lrsquouniteacute doit ecirctre compatible avec les eacutequipements du banc drsquoessai
Pas compatible Peu compatible Compatible Tregraves compatible
Espace Lrsquoespace requis pour installer lrsquouniteacute est limiteacute
Volume imposant Volume eacuteleveacute Volume moyen Volume neacutegligeable
Fiabiliteacute Durabiliteacute
Lrsquouniteacute doit ecirctre fiable et durable
Tregraves faible Moyennement faible
Moyennement eacuteleveacute
Eacuteleveacute
Coucirct Les contraintes budgeacutetaires doivent ecirctre respecteacutees
Tregraves dispendieux Dispendieux Abordable Tregraves abordable
Efficaciteacute eacutenergeacutetique
La consommation eacutelectrique doit diminuer
Consommation eacuteleveacutee
Consommation normale
Consommation faible
Consommation tregraves faible
Seacutecuriteacute Les risques drsquoaccident de travail doivent diminuer
Tregraves risqueacute Risqueacute Peu risqueacute Aucun risque
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33 Matrice de deacutecision Le tableau suivant preacutesente la matrice de deacutecision Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation de chacune des
solutions on a attribueacute agrave chaque critegravere une note situeacutee en 1 et 4 Les notes des critegraveres sont
multiplieacutees par leurs pondeacuterations respectives ils sont ensuite additionneacutes puis enfin diviser par
4 pour obtenir la note en pourcentage de chaque solution Selon les scores obtenus crsquoest
lrsquoautomate programmable qui est consideacutereacute comme eacutetant la meilleure uniteacute de controcircle
Tableau 5 Matrice de deacutecision
Critegraveres Pondeacuteration Solution 1 2 3
Automate programmable
Microcontrocircleur Relais
Simpliciteacute 30 4 3 1 Compatibiliteacute 20 4 2 1
Espace 5 3 4 1 FiabiliteacuteDurabiliteacute 10 4 2 1
Coucirct 15 2 4 3 Efficaciteacute
eacutenergeacutetique 5 3 4 2
Seacutecuriteacute 15 4 1 1 Reacutesultat 100 90 662 338
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34 La conception de la solution recommandeacutee
341 Eacutetude du systegraveme hydraulique existant
La preacutesente section est une eacutetude plus deacutetailleacutee portant sur les principales composantes dont est
constitueacute le banc drsquoessai actuel Lrsquoeacutetude comporte une analyse de leurs caracteacuteristiques
principales et de leurs modes de fonctionnements On y preacutesente eacutegalement les symboles
graphiques de ces composantes Cette eacutetude est une eacutetape primordiale pour pouvoir bien choisir
les nouveaux eacutequipements et concevoir le circuit hydraulique de la solution finale
3411 Ensemble pompe-moteur-reacuteservoir
Comme dans les tous systegravemes hydrauliques le banc drsquoessai dispose drsquoun ensemble pompe-
moteur-reacuteservoir La pompe transforme lrsquoeacutenergie meacutecanique fournie par le moteur eacutelectrique
rotatif en eacutenergie fluide La pompe deacutemarre degraves qursquoon branche le moteur eacutelectrique agrave la prise de
courant Vous retrouverez ci-dessous les speacutecifications de ces composantes et une photo prise
sur place de lrsquoensemble
Moteur eacutelectrique AC
Figure 11 Repreacutesentation scheacutematique du moteur eacutelectrique AC
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Tableau 6 Speacutecifications du moteur eacutelectrique
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Puissance
(HP)
Voltage
(V)
Vitesse
(RPM)
HY-SPEC MFG03 HYSW850203-1G 1 110220 1800
Pompe
Tableau 7 Speacutecifications de la pompe (supposition5)
Marque Deacutebit max
(GPM)
Pression max
(PSI)
Cylindreacutee
(cm3tr)
Inconnu 18 3200 PSI 4
Reacuteservoir
Figure 12 Repreacutesentation scheacutematique du reacuteservoir
5 Le deacutebit et la pression pouvant ecirctre fournie par la pompe sont des informations qui ont eacuteteacute fournies par
lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai mais qui ne sont pas veacuterifiables
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Tableau 8 Speacutecifications du reacuteservoir
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Volume
(L)
HY-SPEC V120 HYSW880117 12
Figure 13 Photo de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3412 Bloc Manifold (bloc foreacute)
Un bloc manifold est un bloc de meacutetal avec plusieurs canaux inteacutegreacute conccedilu pour la conduite de
fluide dans des espaces confineacutes On retrouve sur le bloc des caviteacutes dans lesquelles on peut
installer diffeacuterentes composantes hydrauliques (valves manomegravetres tuyau etc)
Tableau 9 Speacutecifications du bloc manifold
Marque Numeacutero de
seacuterie
Description Nombre
de
sections
Ports Orifice
de
seacutecuriteacute
Pression
drsquoopeacuteration
maximale
(PSI)
HY-
SPEC
HYSDD03-
P-03-2SS
Type D03
Circuit
parallegravele
3 P amp T = SAE 10
A amp B = SAE 8
GA = SAE 6
T-10A 5000
Figure 14 Photo du bloc manifold
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 34
3413 Veacuterins
Les 2 veacuterins hydrauliques utiliseacutes dans le banc drsquoessai sont des veacuterins agrave mouvement lineacuteaire et agrave
double effet (deux directions de travail) qui convertissent lrsquoeacutenergie fluide en eacutenergie
meacutecanique Chaque veacuterin est composeacute drsquoun tube cylindrique (le cylindre) dans lequel est
inseacutereacutee une piegravece mobile (le corps du piston) qui assure lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre deux chambres La
tige rigide qui est relieacutee au corps du piston sert agrave transmettre lrsquoeffort et le deacuteplacement Les
veacuterins comportent deux orifices (alimentation et refoulement) et la pression peut ecirctre appliqueacutee
de chaque cocircteacute du piston pour entraicircner son deacuteplacement dans un sens ou dans lautre Ce sont
les distributeurs qui permettent drsquointervertir les rocircles des deux orifices pour controcircler la
direction de la tige
Par ailleurs il peut y avoir des fuites volumeacutetriques internes et externes dans les veacuterins et qui
sont indeacutesirables car elles reacuteduisent la dureacutee de vie et le rendement des veacuterins La fuite interne
est en fait un eacutecoulement de lrsquohuile de la chambre agrave haute pression vers la chambre agrave basse
pression qui est due au jeu entre le corps du piston et la paroi interne du cylindre Il peut
eacutegalement y avoir une fuite externe due au jeu entre la tige du piston et la tecircte du cylindre Pour
reacuteduire ces fuites on installe des joints drsquoeacutetancheacuteiteacutes sur le corps du piston et sur la tecircte du
cylindre
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees)
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Leacutegende
1 Cylindre 5 Chambre de refoulement
2 Piston A Orifice drsquoadmission
3 Tige R Orifice de refoulement
4 Chambre drsquoadmission
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin
La principale caracteacuteristique des veacuterins est lrsquoaire effective sur laquelle le fluide exerce une
pression Les aires effectives du corps du piston (cocircteacute fond du veacuterin et cocircteacute tecircte du veacuterin) sont
diffeacuterentes agrave cause de la preacutesence de la tige sur une seule face du corps du piston Par
conseacutequent pour des mecircmes pressions drsquoadmission la force de contraction est plus faible que
la force drsquoextension Les eacutequations ci-dessous servent agrave convertir les forces (lb) en pression
(psi) selon le sens drsquoapplication du veacuterin
Calcul pour la conversion force-pression
Diamegravetre du piston6 25 po
Diamegravetre de la tige 15 po
lowast egrave
4lowast 25po
449087
lowast egrave
4lowast 15po
417671
ocirc eacute ecirc eacute
ocirc eacute eacute
6 Bore est le terme eacutequivalent du corps du piston
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 36
Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins
Marque Numeacutero de seacuterie Type drsquoorifices Poids
(livres)
Pression
maximale
(pouce)
HY-SPEC HYS 25FEM24-NW SAE-8 40 3000 PSI
3414 Manomegravetre
Actuellement les pressions exerceacutees dans le bloc manifold et dans chaque chambre des veacuterins
sont mesureacutees agrave lrsquoaide de manomegravetre agrave glyceacuterine
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine
Marque Numeacutero de seacuterie Localisation Diamegravetre
(pouce)
Connexion Eacutechelle du
cadran
(PSI)
HY-
SPEC
HYSG22LXB3000PSI-
14NPT
Bloc
manifold
25
frac14 NPT
0 agrave 3000
HY-
SPEC
HYSG22LXB5000PSI-
14NPT
2 par veacuterin 0 agrave 5000
G
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 37
3415 Les distributeurs
Dans le systegraveme hydraulique les distributeurs (valves de distribution) sont les composantes
actives (modulateurs) qui permettent la distribution du flux drsquoeacutenergie vers les 2 veacuterins
(reacutecepteurs) pour les libeacuterer les arrecircter ou les reacutetracter Sur les trois distributeurs installeacutes sur le
banc drsquoessai seuls 2 drsquoentre eux sont utiliseacutes Le troisiegraveme distributeur a eacuteteacute installeacute au cas ougrave
un troisiegraveme veacuterin serait neacutecessaire pour reacutealiser des tests futurs drsquoapregraves lrsquoopeacuterateur du banc
drsquoessai Il srsquoagit de distributeurs agrave tiroir (de type coulissant) agrave quatre orifices et agrave trois positions
agrave action piloteacutee agrave commande eacutelectrique par soleacutenoiumldes et agrave centrage par ressort de rappel
En alimentant lrsquoun des deux soleacutenoiumldes avec un courant eacutelectrique le tiroir du distributeur se
deacuteplace et lrsquohuile circule par des canaux internes de la valve vers lrsquoune des extreacutemiteacutes du tiroir
principal pendant que lrsquoautre extreacutemiteacute de ce tiroir est raccordeacutee au reacuteservoir du systegraveme par
lrsquoaction du distributeur pilote La pression qui srsquoexerce sur la face du tiroir principal engendre
une force qui pousse ce dernier et le maintien en position agrave voies parallegraveles ou en position agrave
voies croiseacutees En alternant entre la position agrave voies parallegraveles et la position agrave voies croiseacutees le
sens de lrsquoeacutecoulement du fluide dans le veacuterin change et donc le sens de lrsquoapplication de la force
Par ailleurs lorsque les deux soleacutenoiumldes du distributeur ne sont plus alimenteacutes par un courant
eacutelectrique le tiroir principal revient agrave sa position de repos gracircce agrave la pousseacutee du ressort de
rappel Puisqursquoil srsquoagit de distributeurs agrave centre fermeacute lrsquohuile ne peut alors plus circuler dans
les distributeurs et ecirctre achemineacutee dans les veacuterins
Figure 18 Les trois positions des distributeurs
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Leacutegende
T Orifice du reacuteservoir
P Orifice de la pompe
A amp B Admission et refoulement
1 Tiroir
2 Corps de valve
3 Ressort de rappel
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute
Figure 20 Photos des 3 distributeurs
Marque Numeacutero de seacuterie Tension
(V)
Deacutebit
max
(GPM)
Pression admissible
(PSI)
HY-
SPEC
HYSFW-02-3C2-
B110-Z5L-50
24 DC 9 4750
(Orifice A B P)
2320
(Orifice T)
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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La commande des distributeurs
Actuellement lrsquoalimentation des soleacutenoiumldes en courant se fait via deux manettes de controcircle
On retrouve sur ces manettes au total 6 boutons qui permettent lrsquoactivation de chacun des
soleacutenoiumldes Le soleacutenoiumlde demeure alimenteacute tant que lrsquoopeacuterateur exerce une pression sur le
bouton Eacutevidemment ces manettes deviendront inutiles lorsque les soleacutenoiumldes seront alimenteacutes
par lrsquoautomate programmable dans la solution finale
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle
Marque Numeacutero de seacuterie Nombre de boutons
HY-SPEC
HYST90009-3P 2
HYST90012-3P 4
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle
Figure 22 Boicircte de conversion7 entre la manette et le distributeur
7 Aucune speacutecification nrsquoest disponible pour la boicircte de conversion des manettes de controcircle
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3416 Limiteurs de deacutebit
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit
Les limiteurs de deacutebit permettent de controcircler les deacutebits drsquoalimentation des veacuterins et par ce fait
les vitesses de sortie et de rentreacutee des tiges des deux veacuterins Pour y arriver ces valves reacutegulent
le deacutebit du fluide en diminuant la section de lrsquoouverture emprunteacutee par celui-ci Le deacutebit est
proportionnel agrave cette ouverture et agrave la racine carreacutee de la perte de charge Sur le banc drsquoessai on
retrouve 2 eacutetrangleurs reacuteglables agrave pointeau par veacuterin Lrsquoeacutetrangleur agrave pointeau est coupleacute dans le
mecircme corps de la valve avec un clapet de retenue avec ressort8 pour que le deacutebit ne soit limiteacute
que dans un seul sens de lrsquoeacutecoulement
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort
Marque Numeacutero de seacuterie Type
Vickers DGMFN-3-Y-A2W-B2W-41 Port double
8 Il y a ouverture du clapet si la pression drsquoentreacutee est supeacuterieure agrave la somme de la pression de sortie et de la pression du ressort
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
Vinc
342
Parm
press
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342
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 57
CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 58
RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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BIBLIOGRAPHIE
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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14 Mise en contexte de la probleacutematique
Preacutesentement lrsquoentreprise a un banc drsquoessai qui est utiliseacute pour effectuer les tests normatifs
exigeacutes par les normes CMVSS 207 et 210 Lrsquouniteacute de controcircle utiliseacute jusqursquoagrave ce jour preacutesente
des restrictions majeures tel que
1 Seule une personne expeacuterimenteacutee dans le controcircle des valves soleacutenoiumldes est apte agrave
opeacuterer le banc de faccedilon acceptable Le banc drsquoessai ne dispose pas drsquoune interface
homme-machine conviviale
2 Le controcircle des forces appliqueacutees par les veacuterins hydrauliques se fait par le reacuteglage des
valves Les forces ne sont pas appliqueacutees instantaneacutement
3 Le banc drsquoessai actuel ne permet pas drsquoappliquer deux forces simultaneacutement sur le
siegravege
4 Il y a un leacuteger deacuteplacement du siegravege pendant lrsquoopeacuteration du banc drsquoessai ce qui fait en
sorte que les forces reacuteelles appliqueacutees par les cylindres ne demeurent pas constantes
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai doit continuellement surveiller plusieurs manomegravetres et
ajuster la pression dans les cylindres pour corriger les effets de cette perturbation
5 La mesure des pressions deacuteployeacutees est peacutenible agrave cause de lrsquoimpreacutecision de lrsquoeacutechelle des
cadrans des manomegravetres Il est ainsi impossible drsquoopeacuterer le banc drsquoessai agrave basse
pression
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15 Objectifs contraintes et restrictions
Lrsquoobjectif principal de ce projet est de concevoir une uniteacute de controcircle reacutesolvant les restrictions
majeures que rencontre le banc drsquoessai preacutesentement En drsquoautres mots Amobi veut disposer
drsquoun banc drsquoessai permettant drsquoeffectuer tous les tests relieacutes aux normes CMVSS 207-210 en
gagnant en flexibiliteacute et faciliteacute drsquoutilisation Drsquoautre part lrsquoune des contraintes de ce projet est
lrsquoadaptation de la solution recommandeacutee sur le banc drsquoessai existant Il y a eacutegalement une
contrainte moneacutetaire puisque lrsquoinvestissement total de lrsquoensemble de la solution ne doit pas
deacutepasser 8000 $ Le client est agrave la recherche drsquoune solution la plus abordable possible puisque
le banc drsquoessai nrsquoest utiliseacute que quelques fois par anneacutee
16 Formulation du mandat
Les tacircches du mandat de ce projet sont les suivantes
1 Analyser lrsquouniteacute actuelle
2 Concevoir une uniteacute de controcircle incluant
La seacutelection des composantes hydrauliques et eacutelectroniques
Le plan du circuit hydraulique de la solution finale
Le programme de lrsquouniteacute de controcircle
3 Concevoir une interface homme-machine conviviale
4 Reacutediger un mode drsquoemploi pour lrsquoutilisation du banc drsquoessai
5 Eacutevaluer le budget neacutecessaire pour fabriquer la nouvelle uniteacute
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17 Normes applicables
La compagnie SRD Bolduc Inc a preacutepareacute en 2005 pour Amobi un document deacutecrivant les
proceacutedures agrave suivre les informations agrave rapporter et le format des rapports drsquoessais requis pour
deacutemontrer la conformiteacute de siegraveges de veacutehicules aux normes de seacutecuriteacute des veacutehicules
automobiles du Canada NSVACCMVSS no 207 (ancrage des siegraveges) et 210 (ancrage de
ceinture de seacutecuriteacute) Vous retrouvez ci-dessous la description des trois tests normatifs qui
doivent ecirctre effectueacutes sur les siegraveges que lrsquoon deacutesire tester
Test No 1ndash Application de la force produisant un couple [NSVAC 207 1(b)ii(A)]
Figure 4 Point drsquoapplication de la force
Eacutetape 1
Appliquer une charge (en livres) eacutegale agrave 3300 diviseacutee par la distance laquo D raquo La distance laquo D raquo
eacutetant la distance en pouces entre le point de reacutefeacuterence assise2 et la piegravece transversale la plus
eacuteleveacutee du dossier ou de la partie supeacuterieure du dossier La charge doit ecirctre appliqueacutee sur la
partie transversale la plus eacuteleveacutee du dossier et vers lrsquoarriegravere agrave un angle de 0 degreacute
Eacutetape 2
Relacirccher la charge
2 La meacutethode pour deacuteterminer le point de reacutefeacuterence assise est expliqueacutee en annexe
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Test No 2ndash Application de la charge vers lrsquoarriegravere [NSVAC 207 1(a)i(B)]
Figure 5 Point dapplication de la force
Eacutetape 1
Appliquer une charge (en livres) eacutegale agrave 20 fois le poids du siegravege sur un intervalle de temps de
29 secondes La charge doit ecirctre appliqueacutee au centre de graviteacute du siegravege et vers lrsquoarriegravere agrave un
angle de 0 degreacute
Eacutetape 2
Maintenir la charge pendant au moins 10 secondes
Eacutetape 3
Relacirccher la charge
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Test No 3ndash Application simultaneacutee des forces [NSVAC 207 1(a)ii]
Figure 6 Points drsquoapplication des charges
Eacutetape 1
Appliquer 2 charges simultaneacutement sur un intervalle de temps de 29 secondes
- La premiegravere charge (en livres) est eacutegale agrave 20 fois le poids du siegravege et est appliqueacutee au
centre de graviteacute du siegravege vers lrsquoavant agrave un angle de 0 degreacute
- La valeur de la seconde charge deacutepend du type de ceinture installeacutee sur le siegravege Srsquoil
srsquoagit drsquoune ceinture de type I3 la charge agrave appliquer est de 5000 livres Si la ceinture
est de type II4 la charge agrave appliquer est de 3000 livres Cette charge doit ecirctre appliqueacutee
par le biais drsquoune forme de corps retenue par la ceinture de seacutecuriteacute du veacutehicule agrave un
angle compris entre 5 et 10 degreacutes de lrsquohorizontale
Eacutetape 2
Maintenir les charges pendant au moins 10 secondes
Eacutetape 3
Relacirccher les charges
3 Ceinture de seacutecuriteacute agrave 2 points drsquoancrage ougrave une seule sangle est raccordeacutee de chaque cocircteacute du bassin 4 Ceinture de seacutecuriteacute agrave 3 points drsquoancrage ougrave la sangle agrave deux points remonte en travers la poitrine du passager
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2 CADRE THEacuteORIQUE ET EacuteLABORATION DES HYPOTHEgraveSES
21 Cadre theacuteorique
Tout systegraveme agrave fluide sous pression comme celui du banc drsquoessai est toujours composeacute de trois
types de composantes soit
‐ Les composantes actives qui convertissent et modulent lrsquoeacutenergie
‐ Les composantes de liaison qui acheminent lrsquoeacutenergie drsquoune composante active agrave une
autre du moteur agrave la charge
‐ Les composantes passives qui exercent des fonctions secondaires mais qui sont
essentielles pour assurer le bon fonctionnement du systegraveme
Figure 7 Diagramme des principales composantes dun systegraveme hydraulique
211 Composantes actives
2111 Geacuteneacuterateurs
Sur le banc drsquoessai crsquoest la pompe (geacuteneacuterateur pour les liquides) qui produit lrsquoeacutenergie fluide
(volume de fluide sous pression) La puissance fluide est le taux de variation de cette eacutenergie
fluide et est obtenue en multipliant le deacutebit Q et la pression p du fluide
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La pompe se caracteacuterise par sa cylindreacutee D qui deacutepend du volume de fluide refouleacute par uniteacute
de deacuteplacement angulaire de lrsquoarbre (tour ou radian) Les variables de sortie Q et P peuvent ecirctre
exprimeacutees en fonction des variables drsquoentreacutee ωi et Ti selon les eacutequations suivantes
Q ω D
ougrave Q = deacutebit (m3s)
ωi = vitesse angulaire (rads)
D = cylindreacutee (m3rad)
p = pression (Pa)
Ti = couple (Nm)
En consideacuterant la pompe comme un geacuteneacuterateur ideacuteal permettant de transformer lrsquoeacutenergie fluide
sans aucune perte on peut affirmer que la puissance fluide P au refoulement est eacutegale agrave la
puissance meacutecanique drsquoentreacutee Pi soit
ougrave
ougrave Pi est exprimeacute en watts
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2112 Modulateurs
Les modulateurs dans le systegraveme hydraulique sont les valves de direction (distributeurs) les
valves de pression et les valves de deacutebit Sur le banc drsquoessai les valves de direction
(distributeurs) permettent de diriger le fluide drsquoun cocircteacute ou de lrsquoautre dans les veacuterins
(reacutecepteurs) pour qursquoils puissent travailler dans la direction voulue
Les valves de pression et les valves de deacutebit servent respectivement agrave controcircler la pression et le
deacutebit du fluide qui est livreacute aux reacutecepteurs (veacuterins) Lorsque lrsquohuile hydraulique traverse une
valve de pression le fluide est soumis agrave une reacuteduction de pression (de p agrave prsquo) et lorsque cette
huile traverse une valve de deacutebit elle subit une limitation de deacutebit (de Q agrave Qrsquo)
2113 Reacutecepteurs
Les reacutecepteurs dans le systegraveme hydraulique sont agrave mouvement lineacuteaire Les veacuterins sont des
reacutecepteurs qui absorbent lrsquoeacutenergie fluide et la transforment pour produire un travail meacutecanique
en translation Le veacuterin reccediloit le fluide sous pression et en extrait lrsquoeacutenergie avant de le renvoyer
vers le reacuteservoir Le veacuterin est caracteacuteriseacute par une aire A Ainsi on peut exprimer les deux
variables de sortie vo et Fo en fonction des deux variables drsquoentreacutee prsquo et Qrsquo selon les eacutequations
suivantes
prime
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Dans le cas drsquoun veacuterin ideacuteal on peut eacutecrire
Soit
Ougrave vo = vitesse (ms)
A = aire effective (m2)
Fo = force (N)
212 Composantes de liaison
Dans le systegraveme hydraulique les composantes de liaison sont le fluide lui-mecircme et les diverses
canalisations Lrsquohuile hydraulique (fluide) sert agrave transporter lrsquoeacutenergie fluide mais aussi agrave
lubrifier les piegraveces mobiles des veacuterins Cette huile circule dans les canalisations drsquoune
composante agrave une autre Pour eacuteviter drsquoinfluencer lrsquoefficaciteacute et la fiabiliteacute du systegraveme
hydraulique on doit bien choisir dimensionner et installer les canalisations
213 Composantes passives
Les composantes passives du systegraveme hydraulique sont respectivement le reacuteservoir de la pompe
qui permet le stockage de lrsquohuile et la creacutepine qui est un filtre grossier qui protegravege le fluide
contre les polluants externes
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22 Eacutelaboration des hypothegraveses
Voici toutes les hypothegraveses qui ont eacuteteacute poseacutees dans le cadre de ce projet
- La pompe fournie suffisamment de puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins
simultaneacutement
- Les pertes volumeacutetriques dans le circuit sont consideacutereacutees comme eacutetant neacutegligeables
- La pompe se deacutecharge par une valve de mise agrave vide lorsque les veacuterins sont au repos
- Le troisiegraveme distributeur installeacute par Geacuteliko Inc est inutile actuellement
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3 MISE EN ŒUVRE DU MANDAT
31 La recherche de solutions
311 Solution No 1 - Automate programmable
Un automate programmable industriel (API) est un dispositif eacutelectronique qui exerce des
fonctions de controcircle de processus industriels Sa fonction est drsquoenvoyer des commandes aux
preacuteactionneurs (ex les valves) agrave partir des donneacutees drsquoentreacutees qui proviennent des diffeacuterents
capteurs LrsquoAPI est composeacutee drsquoune uniteacute de calculs (processeur) drsquoune alimentation ACDC
et de modules qui sont choisis selon les besoins de lrsquoapplication tel que les cartes drsquoentreacutees-
sorties les modules de communication les modules de commande etc LrsquoAPI peut ecirctre relieacutee agrave
une interface homme-machine agrave un pupitre opeacuterateur agrave une interface graphique ou agrave un
ordinateur Les langages de programmation standards de lrsquoAPI sont le Grafcet et le Ladder
Figure 8 API de marque Allen-Bradley
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Tableau 1 Avantages et inconveacutenients drsquoun automate programmable
Avantages Inconveacutenients
Peu encombrant
Temps de reacuteponse rapide
Facile agrave programmer
Consommation eacutelectrique
acceptable
Configurables et extensibles par
modules
Robuste
Dispendieux pour les petites ou
simples applications
Logiciel de programmation non
gratuit
312 Solution No 2 - Microcontrocircleur
Un microcontrocircleur est comme lrsquoAPI un dispositif eacutelectronique programmable qui peut lire des
signaux drsquoentreacutees et envoyer des signaux de commande agrave des peacuteripheacuteriques externes De plus
le microcontrocircleur rassemble dans un circuit inteacutegreacute tous les eacuteleacutements essentiels agrave son bon
fonctionnement soit le processeur la meacutemoire les uniteacutes peacuteripheacuteriques et les interfaces
drsquoentreacutees-sorties Les langages de programmation des microcontrocircleurs sont varieacutes Basic C
C++ Java etc
Figure 9 Microcontrocircleur de marque Arduino
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Tableau 2 Avantages et inconveacutenients drsquoun microcontrocircleur
Avantages Inconveacutenients
Tregraves peu encombrant
Tregraves faible consommation
eacutelectrique
Logiciel de programmation
geacuteneacuteralement gratuit
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Peu drsquoentreacuteessorties
Langages de programmation plus
contraignants que le Ladder et le
Grafcet
Non extensible
Tregraves fragile
Vitesse de fonctionnement plus
faible
313 Solution No 3 - Relais
Avant lrsquoavegravenement de lrsquoautomate programmable dans le deacutebut des anneacutees 1970 les systegravemes
eacutetaient automatiseacutes agrave lrsquoaide de relais Les relais peuvent ecirctre activeacutes et deacutesactiveacutes sans
interrupteur manuel Aujourdrsquohui les relais servent agrave reacuteduire la taille des panneaux de controcircle
des machines ou agrave creacuteer des cycles drsquoautomatismes simples Mais pour les automatismes qui
requiegraverent un grand nombre drsquoentreacutees sorties on doit remplacer le systegraveme de relayage
devenant trop complexe par un automate programmable
Figure 10 Relais meacutecanique
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Tableau 3 Avantages et inconveacutenients drsquoun relais
Avantages Inconveacutenients
Pas de programmation requise
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Tregraves encombrant
Solution non ideacuteale pour creacuteer des
cycles drsquoautomatismes complexes
Technologie vieillissante
32 Eacutelaboration du baregraveme
Le baregraveme est essentiel lors de lrsquoeacutetape de la prise de deacutecision pour accorder le pointage agrave
chaque solution et pour permettre au concepteur de se fixer des prioriteacutes de conception Le
baregraveme est conccedilu en fonction des critegraveres de qualiteacutes rechercheacutees que lrsquoon associe agrave une eacutechelle
de satisfaction avec une pondeacuteration de 1 agrave 4
Tableau 4 Baregraveme
Critegraveres Objectif 1 2 3 4 Simpliciteacute La programmation
etou lrsquoinstallation de la solution doivent ecirctre faciles
Tregraves difficile Difficile Facile Tregraves facile
Compatibiliteacute Lrsquouniteacute doit ecirctre compatible avec les eacutequipements du banc drsquoessai
Pas compatible Peu compatible Compatible Tregraves compatible
Espace Lrsquoespace requis pour installer lrsquouniteacute est limiteacute
Volume imposant Volume eacuteleveacute Volume moyen Volume neacutegligeable
Fiabiliteacute Durabiliteacute
Lrsquouniteacute doit ecirctre fiable et durable
Tregraves faible Moyennement faible
Moyennement eacuteleveacute
Eacuteleveacute
Coucirct Les contraintes budgeacutetaires doivent ecirctre respecteacutees
Tregraves dispendieux Dispendieux Abordable Tregraves abordable
Efficaciteacute eacutenergeacutetique
La consommation eacutelectrique doit diminuer
Consommation eacuteleveacutee
Consommation normale
Consommation faible
Consommation tregraves faible
Seacutecuriteacute Les risques drsquoaccident de travail doivent diminuer
Tregraves risqueacute Risqueacute Peu risqueacute Aucun risque
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33 Matrice de deacutecision Le tableau suivant preacutesente la matrice de deacutecision Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation de chacune des
solutions on a attribueacute agrave chaque critegravere une note situeacutee en 1 et 4 Les notes des critegraveres sont
multiplieacutees par leurs pondeacuterations respectives ils sont ensuite additionneacutes puis enfin diviser par
4 pour obtenir la note en pourcentage de chaque solution Selon les scores obtenus crsquoest
lrsquoautomate programmable qui est consideacutereacute comme eacutetant la meilleure uniteacute de controcircle
Tableau 5 Matrice de deacutecision
Critegraveres Pondeacuteration Solution 1 2 3
Automate programmable
Microcontrocircleur Relais
Simpliciteacute 30 4 3 1 Compatibiliteacute 20 4 2 1
Espace 5 3 4 1 FiabiliteacuteDurabiliteacute 10 4 2 1
Coucirct 15 2 4 3 Efficaciteacute
eacutenergeacutetique 5 3 4 2
Seacutecuriteacute 15 4 1 1 Reacutesultat 100 90 662 338
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34 La conception de la solution recommandeacutee
341 Eacutetude du systegraveme hydraulique existant
La preacutesente section est une eacutetude plus deacutetailleacutee portant sur les principales composantes dont est
constitueacute le banc drsquoessai actuel Lrsquoeacutetude comporte une analyse de leurs caracteacuteristiques
principales et de leurs modes de fonctionnements On y preacutesente eacutegalement les symboles
graphiques de ces composantes Cette eacutetude est une eacutetape primordiale pour pouvoir bien choisir
les nouveaux eacutequipements et concevoir le circuit hydraulique de la solution finale
3411 Ensemble pompe-moteur-reacuteservoir
Comme dans les tous systegravemes hydrauliques le banc drsquoessai dispose drsquoun ensemble pompe-
moteur-reacuteservoir La pompe transforme lrsquoeacutenergie meacutecanique fournie par le moteur eacutelectrique
rotatif en eacutenergie fluide La pompe deacutemarre degraves qursquoon branche le moteur eacutelectrique agrave la prise de
courant Vous retrouverez ci-dessous les speacutecifications de ces composantes et une photo prise
sur place de lrsquoensemble
Moteur eacutelectrique AC
Figure 11 Repreacutesentation scheacutematique du moteur eacutelectrique AC
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Tableau 6 Speacutecifications du moteur eacutelectrique
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Puissance
(HP)
Voltage
(V)
Vitesse
(RPM)
HY-SPEC MFG03 HYSW850203-1G 1 110220 1800
Pompe
Tableau 7 Speacutecifications de la pompe (supposition5)
Marque Deacutebit max
(GPM)
Pression max
(PSI)
Cylindreacutee
(cm3tr)
Inconnu 18 3200 PSI 4
Reacuteservoir
Figure 12 Repreacutesentation scheacutematique du reacuteservoir
5 Le deacutebit et la pression pouvant ecirctre fournie par la pompe sont des informations qui ont eacuteteacute fournies par
lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai mais qui ne sont pas veacuterifiables
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Tableau 8 Speacutecifications du reacuteservoir
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Volume
(L)
HY-SPEC V120 HYSW880117 12
Figure 13 Photo de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir
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3412 Bloc Manifold (bloc foreacute)
Un bloc manifold est un bloc de meacutetal avec plusieurs canaux inteacutegreacute conccedilu pour la conduite de
fluide dans des espaces confineacutes On retrouve sur le bloc des caviteacutes dans lesquelles on peut
installer diffeacuterentes composantes hydrauliques (valves manomegravetres tuyau etc)
Tableau 9 Speacutecifications du bloc manifold
Marque Numeacutero de
seacuterie
Description Nombre
de
sections
Ports Orifice
de
seacutecuriteacute
Pression
drsquoopeacuteration
maximale
(PSI)
HY-
SPEC
HYSDD03-
P-03-2SS
Type D03
Circuit
parallegravele
3 P amp T = SAE 10
A amp B = SAE 8
GA = SAE 6
T-10A 5000
Figure 14 Photo du bloc manifold
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3413 Veacuterins
Les 2 veacuterins hydrauliques utiliseacutes dans le banc drsquoessai sont des veacuterins agrave mouvement lineacuteaire et agrave
double effet (deux directions de travail) qui convertissent lrsquoeacutenergie fluide en eacutenergie
meacutecanique Chaque veacuterin est composeacute drsquoun tube cylindrique (le cylindre) dans lequel est
inseacutereacutee une piegravece mobile (le corps du piston) qui assure lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre deux chambres La
tige rigide qui est relieacutee au corps du piston sert agrave transmettre lrsquoeffort et le deacuteplacement Les
veacuterins comportent deux orifices (alimentation et refoulement) et la pression peut ecirctre appliqueacutee
de chaque cocircteacute du piston pour entraicircner son deacuteplacement dans un sens ou dans lautre Ce sont
les distributeurs qui permettent drsquointervertir les rocircles des deux orifices pour controcircler la
direction de la tige
Par ailleurs il peut y avoir des fuites volumeacutetriques internes et externes dans les veacuterins et qui
sont indeacutesirables car elles reacuteduisent la dureacutee de vie et le rendement des veacuterins La fuite interne
est en fait un eacutecoulement de lrsquohuile de la chambre agrave haute pression vers la chambre agrave basse
pression qui est due au jeu entre le corps du piston et la paroi interne du cylindre Il peut
eacutegalement y avoir une fuite externe due au jeu entre la tige du piston et la tecircte du cylindre Pour
reacuteduire ces fuites on installe des joints drsquoeacutetancheacuteiteacutes sur le corps du piston et sur la tecircte du
cylindre
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees)
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Leacutegende
1 Cylindre 5 Chambre de refoulement
2 Piston A Orifice drsquoadmission
3 Tige R Orifice de refoulement
4 Chambre drsquoadmission
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin
La principale caracteacuteristique des veacuterins est lrsquoaire effective sur laquelle le fluide exerce une
pression Les aires effectives du corps du piston (cocircteacute fond du veacuterin et cocircteacute tecircte du veacuterin) sont
diffeacuterentes agrave cause de la preacutesence de la tige sur une seule face du corps du piston Par
conseacutequent pour des mecircmes pressions drsquoadmission la force de contraction est plus faible que
la force drsquoextension Les eacutequations ci-dessous servent agrave convertir les forces (lb) en pression
(psi) selon le sens drsquoapplication du veacuterin
Calcul pour la conversion force-pression
Diamegravetre du piston6 25 po
Diamegravetre de la tige 15 po
lowast egrave
4lowast 25po
449087
lowast egrave
4lowast 15po
417671
ocirc eacute ecirc eacute
ocirc eacute eacute
6 Bore est le terme eacutequivalent du corps du piston
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Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins
Marque Numeacutero de seacuterie Type drsquoorifices Poids
(livres)
Pression
maximale
(pouce)
HY-SPEC HYS 25FEM24-NW SAE-8 40 3000 PSI
3414 Manomegravetre
Actuellement les pressions exerceacutees dans le bloc manifold et dans chaque chambre des veacuterins
sont mesureacutees agrave lrsquoaide de manomegravetre agrave glyceacuterine
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine
Marque Numeacutero de seacuterie Localisation Diamegravetre
(pouce)
Connexion Eacutechelle du
cadran
(PSI)
HY-
SPEC
HYSG22LXB3000PSI-
14NPT
Bloc
manifold
25
frac14 NPT
0 agrave 3000
HY-
SPEC
HYSG22LXB5000PSI-
14NPT
2 par veacuterin 0 agrave 5000
G
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold
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3415 Les distributeurs
Dans le systegraveme hydraulique les distributeurs (valves de distribution) sont les composantes
actives (modulateurs) qui permettent la distribution du flux drsquoeacutenergie vers les 2 veacuterins
(reacutecepteurs) pour les libeacuterer les arrecircter ou les reacutetracter Sur les trois distributeurs installeacutes sur le
banc drsquoessai seuls 2 drsquoentre eux sont utiliseacutes Le troisiegraveme distributeur a eacuteteacute installeacute au cas ougrave
un troisiegraveme veacuterin serait neacutecessaire pour reacutealiser des tests futurs drsquoapregraves lrsquoopeacuterateur du banc
drsquoessai Il srsquoagit de distributeurs agrave tiroir (de type coulissant) agrave quatre orifices et agrave trois positions
agrave action piloteacutee agrave commande eacutelectrique par soleacutenoiumldes et agrave centrage par ressort de rappel
En alimentant lrsquoun des deux soleacutenoiumldes avec un courant eacutelectrique le tiroir du distributeur se
deacuteplace et lrsquohuile circule par des canaux internes de la valve vers lrsquoune des extreacutemiteacutes du tiroir
principal pendant que lrsquoautre extreacutemiteacute de ce tiroir est raccordeacutee au reacuteservoir du systegraveme par
lrsquoaction du distributeur pilote La pression qui srsquoexerce sur la face du tiroir principal engendre
une force qui pousse ce dernier et le maintien en position agrave voies parallegraveles ou en position agrave
voies croiseacutees En alternant entre la position agrave voies parallegraveles et la position agrave voies croiseacutees le
sens de lrsquoeacutecoulement du fluide dans le veacuterin change et donc le sens de lrsquoapplication de la force
Par ailleurs lorsque les deux soleacutenoiumldes du distributeur ne sont plus alimenteacutes par un courant
eacutelectrique le tiroir principal revient agrave sa position de repos gracircce agrave la pousseacutee du ressort de
rappel Puisqursquoil srsquoagit de distributeurs agrave centre fermeacute lrsquohuile ne peut alors plus circuler dans
les distributeurs et ecirctre achemineacutee dans les veacuterins
Figure 18 Les trois positions des distributeurs
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Leacutegende
T Orifice du reacuteservoir
P Orifice de la pompe
A amp B Admission et refoulement
1 Tiroir
2 Corps de valve
3 Ressort de rappel
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute
Figure 20 Photos des 3 distributeurs
Marque Numeacutero de seacuterie Tension
(V)
Deacutebit
max
(GPM)
Pression admissible
(PSI)
HY-
SPEC
HYSFW-02-3C2-
B110-Z5L-50
24 DC 9 4750
(Orifice A B P)
2320
(Orifice T)
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La commande des distributeurs
Actuellement lrsquoalimentation des soleacutenoiumldes en courant se fait via deux manettes de controcircle
On retrouve sur ces manettes au total 6 boutons qui permettent lrsquoactivation de chacun des
soleacutenoiumldes Le soleacutenoiumlde demeure alimenteacute tant que lrsquoopeacuterateur exerce une pression sur le
bouton Eacutevidemment ces manettes deviendront inutiles lorsque les soleacutenoiumldes seront alimenteacutes
par lrsquoautomate programmable dans la solution finale
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle
Marque Numeacutero de seacuterie Nombre de boutons
HY-SPEC
HYST90009-3P 2
HYST90012-3P 4
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle
Figure 22 Boicircte de conversion7 entre la manette et le distributeur
7 Aucune speacutecification nrsquoest disponible pour la boicircte de conversion des manettes de controcircle
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3416 Limiteurs de deacutebit
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit
Les limiteurs de deacutebit permettent de controcircler les deacutebits drsquoalimentation des veacuterins et par ce fait
les vitesses de sortie et de rentreacutee des tiges des deux veacuterins Pour y arriver ces valves reacutegulent
le deacutebit du fluide en diminuant la section de lrsquoouverture emprunteacutee par celui-ci Le deacutebit est
proportionnel agrave cette ouverture et agrave la racine carreacutee de la perte de charge Sur le banc drsquoessai on
retrouve 2 eacutetrangleurs reacuteglables agrave pointeau par veacuterin Lrsquoeacutetrangleur agrave pointeau est coupleacute dans le
mecircme corps de la valve avec un clapet de retenue avec ressort8 pour que le deacutebit ne soit limiteacute
que dans un seul sens de lrsquoeacutecoulement
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort
Marque Numeacutero de seacuterie Type
Vickers DGMFN-3-Y-A2W-B2W-41 Port double
8 Il y a ouverture du clapet si la pression drsquoentreacutee est supeacuterieure agrave la somme de la pression de sortie et de la pression du ressort
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
Vinc
342
Parm
press
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342
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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15 Objectifs contraintes et restrictions
Lrsquoobjectif principal de ce projet est de concevoir une uniteacute de controcircle reacutesolvant les restrictions
majeures que rencontre le banc drsquoessai preacutesentement En drsquoautres mots Amobi veut disposer
drsquoun banc drsquoessai permettant drsquoeffectuer tous les tests relieacutes aux normes CMVSS 207-210 en
gagnant en flexibiliteacute et faciliteacute drsquoutilisation Drsquoautre part lrsquoune des contraintes de ce projet est
lrsquoadaptation de la solution recommandeacutee sur le banc drsquoessai existant Il y a eacutegalement une
contrainte moneacutetaire puisque lrsquoinvestissement total de lrsquoensemble de la solution ne doit pas
deacutepasser 8000 $ Le client est agrave la recherche drsquoune solution la plus abordable possible puisque
le banc drsquoessai nrsquoest utiliseacute que quelques fois par anneacutee
16 Formulation du mandat
Les tacircches du mandat de ce projet sont les suivantes
1 Analyser lrsquouniteacute actuelle
2 Concevoir une uniteacute de controcircle incluant
La seacutelection des composantes hydrauliques et eacutelectroniques
Le plan du circuit hydraulique de la solution finale
Le programme de lrsquouniteacute de controcircle
3 Concevoir une interface homme-machine conviviale
4 Reacutediger un mode drsquoemploi pour lrsquoutilisation du banc drsquoessai
5 Eacutevaluer le budget neacutecessaire pour fabriquer la nouvelle uniteacute
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17 Normes applicables
La compagnie SRD Bolduc Inc a preacutepareacute en 2005 pour Amobi un document deacutecrivant les
proceacutedures agrave suivre les informations agrave rapporter et le format des rapports drsquoessais requis pour
deacutemontrer la conformiteacute de siegraveges de veacutehicules aux normes de seacutecuriteacute des veacutehicules
automobiles du Canada NSVACCMVSS no 207 (ancrage des siegraveges) et 210 (ancrage de
ceinture de seacutecuriteacute) Vous retrouvez ci-dessous la description des trois tests normatifs qui
doivent ecirctre effectueacutes sur les siegraveges que lrsquoon deacutesire tester
Test No 1ndash Application de la force produisant un couple [NSVAC 207 1(b)ii(A)]
Figure 4 Point drsquoapplication de la force
Eacutetape 1
Appliquer une charge (en livres) eacutegale agrave 3300 diviseacutee par la distance laquo D raquo La distance laquo D raquo
eacutetant la distance en pouces entre le point de reacutefeacuterence assise2 et la piegravece transversale la plus
eacuteleveacutee du dossier ou de la partie supeacuterieure du dossier La charge doit ecirctre appliqueacutee sur la
partie transversale la plus eacuteleveacutee du dossier et vers lrsquoarriegravere agrave un angle de 0 degreacute
Eacutetape 2
Relacirccher la charge
2 La meacutethode pour deacuteterminer le point de reacutefeacuterence assise est expliqueacutee en annexe
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Test No 2ndash Application de la charge vers lrsquoarriegravere [NSVAC 207 1(a)i(B)]
Figure 5 Point dapplication de la force
Eacutetape 1
Appliquer une charge (en livres) eacutegale agrave 20 fois le poids du siegravege sur un intervalle de temps de
29 secondes La charge doit ecirctre appliqueacutee au centre de graviteacute du siegravege et vers lrsquoarriegravere agrave un
angle de 0 degreacute
Eacutetape 2
Maintenir la charge pendant au moins 10 secondes
Eacutetape 3
Relacirccher la charge
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Test No 3ndash Application simultaneacutee des forces [NSVAC 207 1(a)ii]
Figure 6 Points drsquoapplication des charges
Eacutetape 1
Appliquer 2 charges simultaneacutement sur un intervalle de temps de 29 secondes
- La premiegravere charge (en livres) est eacutegale agrave 20 fois le poids du siegravege et est appliqueacutee au
centre de graviteacute du siegravege vers lrsquoavant agrave un angle de 0 degreacute
- La valeur de la seconde charge deacutepend du type de ceinture installeacutee sur le siegravege Srsquoil
srsquoagit drsquoune ceinture de type I3 la charge agrave appliquer est de 5000 livres Si la ceinture
est de type II4 la charge agrave appliquer est de 3000 livres Cette charge doit ecirctre appliqueacutee
par le biais drsquoune forme de corps retenue par la ceinture de seacutecuriteacute du veacutehicule agrave un
angle compris entre 5 et 10 degreacutes de lrsquohorizontale
Eacutetape 2
Maintenir les charges pendant au moins 10 secondes
Eacutetape 3
Relacirccher les charges
3 Ceinture de seacutecuriteacute agrave 2 points drsquoancrage ougrave une seule sangle est raccordeacutee de chaque cocircteacute du bassin 4 Ceinture de seacutecuriteacute agrave 3 points drsquoancrage ougrave la sangle agrave deux points remonte en travers la poitrine du passager
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2 CADRE THEacuteORIQUE ET EacuteLABORATION DES HYPOTHEgraveSES
21 Cadre theacuteorique
Tout systegraveme agrave fluide sous pression comme celui du banc drsquoessai est toujours composeacute de trois
types de composantes soit
‐ Les composantes actives qui convertissent et modulent lrsquoeacutenergie
‐ Les composantes de liaison qui acheminent lrsquoeacutenergie drsquoune composante active agrave une
autre du moteur agrave la charge
‐ Les composantes passives qui exercent des fonctions secondaires mais qui sont
essentielles pour assurer le bon fonctionnement du systegraveme
Figure 7 Diagramme des principales composantes dun systegraveme hydraulique
211 Composantes actives
2111 Geacuteneacuterateurs
Sur le banc drsquoessai crsquoest la pompe (geacuteneacuterateur pour les liquides) qui produit lrsquoeacutenergie fluide
(volume de fluide sous pression) La puissance fluide est le taux de variation de cette eacutenergie
fluide et est obtenue en multipliant le deacutebit Q et la pression p du fluide
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La pompe se caracteacuterise par sa cylindreacutee D qui deacutepend du volume de fluide refouleacute par uniteacute
de deacuteplacement angulaire de lrsquoarbre (tour ou radian) Les variables de sortie Q et P peuvent ecirctre
exprimeacutees en fonction des variables drsquoentreacutee ωi et Ti selon les eacutequations suivantes
Q ω D
ougrave Q = deacutebit (m3s)
ωi = vitesse angulaire (rads)
D = cylindreacutee (m3rad)
p = pression (Pa)
Ti = couple (Nm)
En consideacuterant la pompe comme un geacuteneacuterateur ideacuteal permettant de transformer lrsquoeacutenergie fluide
sans aucune perte on peut affirmer que la puissance fluide P au refoulement est eacutegale agrave la
puissance meacutecanique drsquoentreacutee Pi soit
ougrave
ougrave Pi est exprimeacute en watts
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2112 Modulateurs
Les modulateurs dans le systegraveme hydraulique sont les valves de direction (distributeurs) les
valves de pression et les valves de deacutebit Sur le banc drsquoessai les valves de direction
(distributeurs) permettent de diriger le fluide drsquoun cocircteacute ou de lrsquoautre dans les veacuterins
(reacutecepteurs) pour qursquoils puissent travailler dans la direction voulue
Les valves de pression et les valves de deacutebit servent respectivement agrave controcircler la pression et le
deacutebit du fluide qui est livreacute aux reacutecepteurs (veacuterins) Lorsque lrsquohuile hydraulique traverse une
valve de pression le fluide est soumis agrave une reacuteduction de pression (de p agrave prsquo) et lorsque cette
huile traverse une valve de deacutebit elle subit une limitation de deacutebit (de Q agrave Qrsquo)
2113 Reacutecepteurs
Les reacutecepteurs dans le systegraveme hydraulique sont agrave mouvement lineacuteaire Les veacuterins sont des
reacutecepteurs qui absorbent lrsquoeacutenergie fluide et la transforment pour produire un travail meacutecanique
en translation Le veacuterin reccediloit le fluide sous pression et en extrait lrsquoeacutenergie avant de le renvoyer
vers le reacuteservoir Le veacuterin est caracteacuteriseacute par une aire A Ainsi on peut exprimer les deux
variables de sortie vo et Fo en fonction des deux variables drsquoentreacutee prsquo et Qrsquo selon les eacutequations
suivantes
prime
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Dans le cas drsquoun veacuterin ideacuteal on peut eacutecrire
Soit
Ougrave vo = vitesse (ms)
A = aire effective (m2)
Fo = force (N)
212 Composantes de liaison
Dans le systegraveme hydraulique les composantes de liaison sont le fluide lui-mecircme et les diverses
canalisations Lrsquohuile hydraulique (fluide) sert agrave transporter lrsquoeacutenergie fluide mais aussi agrave
lubrifier les piegraveces mobiles des veacuterins Cette huile circule dans les canalisations drsquoune
composante agrave une autre Pour eacuteviter drsquoinfluencer lrsquoefficaciteacute et la fiabiliteacute du systegraveme
hydraulique on doit bien choisir dimensionner et installer les canalisations
213 Composantes passives
Les composantes passives du systegraveme hydraulique sont respectivement le reacuteservoir de la pompe
qui permet le stockage de lrsquohuile et la creacutepine qui est un filtre grossier qui protegravege le fluide
contre les polluants externes
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22 Eacutelaboration des hypothegraveses
Voici toutes les hypothegraveses qui ont eacuteteacute poseacutees dans le cadre de ce projet
- La pompe fournie suffisamment de puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins
simultaneacutement
- Les pertes volumeacutetriques dans le circuit sont consideacutereacutees comme eacutetant neacutegligeables
- La pompe se deacutecharge par une valve de mise agrave vide lorsque les veacuterins sont au repos
- Le troisiegraveme distributeur installeacute par Geacuteliko Inc est inutile actuellement
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3 MISE EN ŒUVRE DU MANDAT
31 La recherche de solutions
311 Solution No 1 - Automate programmable
Un automate programmable industriel (API) est un dispositif eacutelectronique qui exerce des
fonctions de controcircle de processus industriels Sa fonction est drsquoenvoyer des commandes aux
preacuteactionneurs (ex les valves) agrave partir des donneacutees drsquoentreacutees qui proviennent des diffeacuterents
capteurs LrsquoAPI est composeacutee drsquoune uniteacute de calculs (processeur) drsquoune alimentation ACDC
et de modules qui sont choisis selon les besoins de lrsquoapplication tel que les cartes drsquoentreacutees-
sorties les modules de communication les modules de commande etc LrsquoAPI peut ecirctre relieacutee agrave
une interface homme-machine agrave un pupitre opeacuterateur agrave une interface graphique ou agrave un
ordinateur Les langages de programmation standards de lrsquoAPI sont le Grafcet et le Ladder
Figure 8 API de marque Allen-Bradley
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Tableau 1 Avantages et inconveacutenients drsquoun automate programmable
Avantages Inconveacutenients
Peu encombrant
Temps de reacuteponse rapide
Facile agrave programmer
Consommation eacutelectrique
acceptable
Configurables et extensibles par
modules
Robuste
Dispendieux pour les petites ou
simples applications
Logiciel de programmation non
gratuit
312 Solution No 2 - Microcontrocircleur
Un microcontrocircleur est comme lrsquoAPI un dispositif eacutelectronique programmable qui peut lire des
signaux drsquoentreacutees et envoyer des signaux de commande agrave des peacuteripheacuteriques externes De plus
le microcontrocircleur rassemble dans un circuit inteacutegreacute tous les eacuteleacutements essentiels agrave son bon
fonctionnement soit le processeur la meacutemoire les uniteacutes peacuteripheacuteriques et les interfaces
drsquoentreacutees-sorties Les langages de programmation des microcontrocircleurs sont varieacutes Basic C
C++ Java etc
Figure 9 Microcontrocircleur de marque Arduino
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Tableau 2 Avantages et inconveacutenients drsquoun microcontrocircleur
Avantages Inconveacutenients
Tregraves peu encombrant
Tregraves faible consommation
eacutelectrique
Logiciel de programmation
geacuteneacuteralement gratuit
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Peu drsquoentreacuteessorties
Langages de programmation plus
contraignants que le Ladder et le
Grafcet
Non extensible
Tregraves fragile
Vitesse de fonctionnement plus
faible
313 Solution No 3 - Relais
Avant lrsquoavegravenement de lrsquoautomate programmable dans le deacutebut des anneacutees 1970 les systegravemes
eacutetaient automatiseacutes agrave lrsquoaide de relais Les relais peuvent ecirctre activeacutes et deacutesactiveacutes sans
interrupteur manuel Aujourdrsquohui les relais servent agrave reacuteduire la taille des panneaux de controcircle
des machines ou agrave creacuteer des cycles drsquoautomatismes simples Mais pour les automatismes qui
requiegraverent un grand nombre drsquoentreacutees sorties on doit remplacer le systegraveme de relayage
devenant trop complexe par un automate programmable
Figure 10 Relais meacutecanique
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Tableau 3 Avantages et inconveacutenients drsquoun relais
Avantages Inconveacutenients
Pas de programmation requise
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Tregraves encombrant
Solution non ideacuteale pour creacuteer des
cycles drsquoautomatismes complexes
Technologie vieillissante
32 Eacutelaboration du baregraveme
Le baregraveme est essentiel lors de lrsquoeacutetape de la prise de deacutecision pour accorder le pointage agrave
chaque solution et pour permettre au concepteur de se fixer des prioriteacutes de conception Le
baregraveme est conccedilu en fonction des critegraveres de qualiteacutes rechercheacutees que lrsquoon associe agrave une eacutechelle
de satisfaction avec une pondeacuteration de 1 agrave 4
Tableau 4 Baregraveme
Critegraveres Objectif 1 2 3 4 Simpliciteacute La programmation
etou lrsquoinstallation de la solution doivent ecirctre faciles
Tregraves difficile Difficile Facile Tregraves facile
Compatibiliteacute Lrsquouniteacute doit ecirctre compatible avec les eacutequipements du banc drsquoessai
Pas compatible Peu compatible Compatible Tregraves compatible
Espace Lrsquoespace requis pour installer lrsquouniteacute est limiteacute
Volume imposant Volume eacuteleveacute Volume moyen Volume neacutegligeable
Fiabiliteacute Durabiliteacute
Lrsquouniteacute doit ecirctre fiable et durable
Tregraves faible Moyennement faible
Moyennement eacuteleveacute
Eacuteleveacute
Coucirct Les contraintes budgeacutetaires doivent ecirctre respecteacutees
Tregraves dispendieux Dispendieux Abordable Tregraves abordable
Efficaciteacute eacutenergeacutetique
La consommation eacutelectrique doit diminuer
Consommation eacuteleveacutee
Consommation normale
Consommation faible
Consommation tregraves faible
Seacutecuriteacute Les risques drsquoaccident de travail doivent diminuer
Tregraves risqueacute Risqueacute Peu risqueacute Aucun risque
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33 Matrice de deacutecision Le tableau suivant preacutesente la matrice de deacutecision Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation de chacune des
solutions on a attribueacute agrave chaque critegravere une note situeacutee en 1 et 4 Les notes des critegraveres sont
multiplieacutees par leurs pondeacuterations respectives ils sont ensuite additionneacutes puis enfin diviser par
4 pour obtenir la note en pourcentage de chaque solution Selon les scores obtenus crsquoest
lrsquoautomate programmable qui est consideacutereacute comme eacutetant la meilleure uniteacute de controcircle
Tableau 5 Matrice de deacutecision
Critegraveres Pondeacuteration Solution 1 2 3
Automate programmable
Microcontrocircleur Relais
Simpliciteacute 30 4 3 1 Compatibiliteacute 20 4 2 1
Espace 5 3 4 1 FiabiliteacuteDurabiliteacute 10 4 2 1
Coucirct 15 2 4 3 Efficaciteacute
eacutenergeacutetique 5 3 4 2
Seacutecuriteacute 15 4 1 1 Reacutesultat 100 90 662 338
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34 La conception de la solution recommandeacutee
341 Eacutetude du systegraveme hydraulique existant
La preacutesente section est une eacutetude plus deacutetailleacutee portant sur les principales composantes dont est
constitueacute le banc drsquoessai actuel Lrsquoeacutetude comporte une analyse de leurs caracteacuteristiques
principales et de leurs modes de fonctionnements On y preacutesente eacutegalement les symboles
graphiques de ces composantes Cette eacutetude est une eacutetape primordiale pour pouvoir bien choisir
les nouveaux eacutequipements et concevoir le circuit hydraulique de la solution finale
3411 Ensemble pompe-moteur-reacuteservoir
Comme dans les tous systegravemes hydrauliques le banc drsquoessai dispose drsquoun ensemble pompe-
moteur-reacuteservoir La pompe transforme lrsquoeacutenergie meacutecanique fournie par le moteur eacutelectrique
rotatif en eacutenergie fluide La pompe deacutemarre degraves qursquoon branche le moteur eacutelectrique agrave la prise de
courant Vous retrouverez ci-dessous les speacutecifications de ces composantes et une photo prise
sur place de lrsquoensemble
Moteur eacutelectrique AC
Figure 11 Repreacutesentation scheacutematique du moteur eacutelectrique AC
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Tableau 6 Speacutecifications du moteur eacutelectrique
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Puissance
(HP)
Voltage
(V)
Vitesse
(RPM)
HY-SPEC MFG03 HYSW850203-1G 1 110220 1800
Pompe
Tableau 7 Speacutecifications de la pompe (supposition5)
Marque Deacutebit max
(GPM)
Pression max
(PSI)
Cylindreacutee
(cm3tr)
Inconnu 18 3200 PSI 4
Reacuteservoir
Figure 12 Repreacutesentation scheacutematique du reacuteservoir
5 Le deacutebit et la pression pouvant ecirctre fournie par la pompe sont des informations qui ont eacuteteacute fournies par
lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai mais qui ne sont pas veacuterifiables
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Tableau 8 Speacutecifications du reacuteservoir
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Volume
(L)
HY-SPEC V120 HYSW880117 12
Figure 13 Photo de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir
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3412 Bloc Manifold (bloc foreacute)
Un bloc manifold est un bloc de meacutetal avec plusieurs canaux inteacutegreacute conccedilu pour la conduite de
fluide dans des espaces confineacutes On retrouve sur le bloc des caviteacutes dans lesquelles on peut
installer diffeacuterentes composantes hydrauliques (valves manomegravetres tuyau etc)
Tableau 9 Speacutecifications du bloc manifold
Marque Numeacutero de
seacuterie
Description Nombre
de
sections
Ports Orifice
de
seacutecuriteacute
Pression
drsquoopeacuteration
maximale
(PSI)
HY-
SPEC
HYSDD03-
P-03-2SS
Type D03
Circuit
parallegravele
3 P amp T = SAE 10
A amp B = SAE 8
GA = SAE 6
T-10A 5000
Figure 14 Photo du bloc manifold
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3413 Veacuterins
Les 2 veacuterins hydrauliques utiliseacutes dans le banc drsquoessai sont des veacuterins agrave mouvement lineacuteaire et agrave
double effet (deux directions de travail) qui convertissent lrsquoeacutenergie fluide en eacutenergie
meacutecanique Chaque veacuterin est composeacute drsquoun tube cylindrique (le cylindre) dans lequel est
inseacutereacutee une piegravece mobile (le corps du piston) qui assure lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre deux chambres La
tige rigide qui est relieacutee au corps du piston sert agrave transmettre lrsquoeffort et le deacuteplacement Les
veacuterins comportent deux orifices (alimentation et refoulement) et la pression peut ecirctre appliqueacutee
de chaque cocircteacute du piston pour entraicircner son deacuteplacement dans un sens ou dans lautre Ce sont
les distributeurs qui permettent drsquointervertir les rocircles des deux orifices pour controcircler la
direction de la tige
Par ailleurs il peut y avoir des fuites volumeacutetriques internes et externes dans les veacuterins et qui
sont indeacutesirables car elles reacuteduisent la dureacutee de vie et le rendement des veacuterins La fuite interne
est en fait un eacutecoulement de lrsquohuile de la chambre agrave haute pression vers la chambre agrave basse
pression qui est due au jeu entre le corps du piston et la paroi interne du cylindre Il peut
eacutegalement y avoir une fuite externe due au jeu entre la tige du piston et la tecircte du cylindre Pour
reacuteduire ces fuites on installe des joints drsquoeacutetancheacuteiteacutes sur le corps du piston et sur la tecircte du
cylindre
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees)
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Leacutegende
1 Cylindre 5 Chambre de refoulement
2 Piston A Orifice drsquoadmission
3 Tige R Orifice de refoulement
4 Chambre drsquoadmission
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin
La principale caracteacuteristique des veacuterins est lrsquoaire effective sur laquelle le fluide exerce une
pression Les aires effectives du corps du piston (cocircteacute fond du veacuterin et cocircteacute tecircte du veacuterin) sont
diffeacuterentes agrave cause de la preacutesence de la tige sur une seule face du corps du piston Par
conseacutequent pour des mecircmes pressions drsquoadmission la force de contraction est plus faible que
la force drsquoextension Les eacutequations ci-dessous servent agrave convertir les forces (lb) en pression
(psi) selon le sens drsquoapplication du veacuterin
Calcul pour la conversion force-pression
Diamegravetre du piston6 25 po
Diamegravetre de la tige 15 po
lowast egrave
4lowast 25po
449087
lowast egrave
4lowast 15po
417671
ocirc eacute ecirc eacute
ocirc eacute eacute
6 Bore est le terme eacutequivalent du corps du piston
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Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins
Marque Numeacutero de seacuterie Type drsquoorifices Poids
(livres)
Pression
maximale
(pouce)
HY-SPEC HYS 25FEM24-NW SAE-8 40 3000 PSI
3414 Manomegravetre
Actuellement les pressions exerceacutees dans le bloc manifold et dans chaque chambre des veacuterins
sont mesureacutees agrave lrsquoaide de manomegravetre agrave glyceacuterine
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine
Marque Numeacutero de seacuterie Localisation Diamegravetre
(pouce)
Connexion Eacutechelle du
cadran
(PSI)
HY-
SPEC
HYSG22LXB3000PSI-
14NPT
Bloc
manifold
25
frac14 NPT
0 agrave 3000
HY-
SPEC
HYSG22LXB5000PSI-
14NPT
2 par veacuterin 0 agrave 5000
G
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold
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3415 Les distributeurs
Dans le systegraveme hydraulique les distributeurs (valves de distribution) sont les composantes
actives (modulateurs) qui permettent la distribution du flux drsquoeacutenergie vers les 2 veacuterins
(reacutecepteurs) pour les libeacuterer les arrecircter ou les reacutetracter Sur les trois distributeurs installeacutes sur le
banc drsquoessai seuls 2 drsquoentre eux sont utiliseacutes Le troisiegraveme distributeur a eacuteteacute installeacute au cas ougrave
un troisiegraveme veacuterin serait neacutecessaire pour reacutealiser des tests futurs drsquoapregraves lrsquoopeacuterateur du banc
drsquoessai Il srsquoagit de distributeurs agrave tiroir (de type coulissant) agrave quatre orifices et agrave trois positions
agrave action piloteacutee agrave commande eacutelectrique par soleacutenoiumldes et agrave centrage par ressort de rappel
En alimentant lrsquoun des deux soleacutenoiumldes avec un courant eacutelectrique le tiroir du distributeur se
deacuteplace et lrsquohuile circule par des canaux internes de la valve vers lrsquoune des extreacutemiteacutes du tiroir
principal pendant que lrsquoautre extreacutemiteacute de ce tiroir est raccordeacutee au reacuteservoir du systegraveme par
lrsquoaction du distributeur pilote La pression qui srsquoexerce sur la face du tiroir principal engendre
une force qui pousse ce dernier et le maintien en position agrave voies parallegraveles ou en position agrave
voies croiseacutees En alternant entre la position agrave voies parallegraveles et la position agrave voies croiseacutees le
sens de lrsquoeacutecoulement du fluide dans le veacuterin change et donc le sens de lrsquoapplication de la force
Par ailleurs lorsque les deux soleacutenoiumldes du distributeur ne sont plus alimenteacutes par un courant
eacutelectrique le tiroir principal revient agrave sa position de repos gracircce agrave la pousseacutee du ressort de
rappel Puisqursquoil srsquoagit de distributeurs agrave centre fermeacute lrsquohuile ne peut alors plus circuler dans
les distributeurs et ecirctre achemineacutee dans les veacuterins
Figure 18 Les trois positions des distributeurs
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Leacutegende
T Orifice du reacuteservoir
P Orifice de la pompe
A amp B Admission et refoulement
1 Tiroir
2 Corps de valve
3 Ressort de rappel
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute
Figure 20 Photos des 3 distributeurs
Marque Numeacutero de seacuterie Tension
(V)
Deacutebit
max
(GPM)
Pression admissible
(PSI)
HY-
SPEC
HYSFW-02-3C2-
B110-Z5L-50
24 DC 9 4750
(Orifice A B P)
2320
(Orifice T)
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La commande des distributeurs
Actuellement lrsquoalimentation des soleacutenoiumldes en courant se fait via deux manettes de controcircle
On retrouve sur ces manettes au total 6 boutons qui permettent lrsquoactivation de chacun des
soleacutenoiumldes Le soleacutenoiumlde demeure alimenteacute tant que lrsquoopeacuterateur exerce une pression sur le
bouton Eacutevidemment ces manettes deviendront inutiles lorsque les soleacutenoiumldes seront alimenteacutes
par lrsquoautomate programmable dans la solution finale
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle
Marque Numeacutero de seacuterie Nombre de boutons
HY-SPEC
HYST90009-3P 2
HYST90012-3P 4
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle
Figure 22 Boicircte de conversion7 entre la manette et le distributeur
7 Aucune speacutecification nrsquoest disponible pour la boicircte de conversion des manettes de controcircle
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3416 Limiteurs de deacutebit
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit
Les limiteurs de deacutebit permettent de controcircler les deacutebits drsquoalimentation des veacuterins et par ce fait
les vitesses de sortie et de rentreacutee des tiges des deux veacuterins Pour y arriver ces valves reacutegulent
le deacutebit du fluide en diminuant la section de lrsquoouverture emprunteacutee par celui-ci Le deacutebit est
proportionnel agrave cette ouverture et agrave la racine carreacutee de la perte de charge Sur le banc drsquoessai on
retrouve 2 eacutetrangleurs reacuteglables agrave pointeau par veacuterin Lrsquoeacutetrangleur agrave pointeau est coupleacute dans le
mecircme corps de la valve avec un clapet de retenue avec ressort8 pour que le deacutebit ne soit limiteacute
que dans un seul sens de lrsquoeacutecoulement
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort
Marque Numeacutero de seacuterie Type
Vickers DGMFN-3-Y-A2W-B2W-41 Port double
8 Il y a ouverture du clapet si la pression drsquoentreacutee est supeacuterieure agrave la somme de la pression de sortie et de la pression du ressort
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
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342
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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BIBLIOGRAPHIE
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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17 Normes applicables
La compagnie SRD Bolduc Inc a preacutepareacute en 2005 pour Amobi un document deacutecrivant les
proceacutedures agrave suivre les informations agrave rapporter et le format des rapports drsquoessais requis pour
deacutemontrer la conformiteacute de siegraveges de veacutehicules aux normes de seacutecuriteacute des veacutehicules
automobiles du Canada NSVACCMVSS no 207 (ancrage des siegraveges) et 210 (ancrage de
ceinture de seacutecuriteacute) Vous retrouvez ci-dessous la description des trois tests normatifs qui
doivent ecirctre effectueacutes sur les siegraveges que lrsquoon deacutesire tester
Test No 1ndash Application de la force produisant un couple [NSVAC 207 1(b)ii(A)]
Figure 4 Point drsquoapplication de la force
Eacutetape 1
Appliquer une charge (en livres) eacutegale agrave 3300 diviseacutee par la distance laquo D raquo La distance laquo D raquo
eacutetant la distance en pouces entre le point de reacutefeacuterence assise2 et la piegravece transversale la plus
eacuteleveacutee du dossier ou de la partie supeacuterieure du dossier La charge doit ecirctre appliqueacutee sur la
partie transversale la plus eacuteleveacutee du dossier et vers lrsquoarriegravere agrave un angle de 0 degreacute
Eacutetape 2
Relacirccher la charge
2 La meacutethode pour deacuteterminer le point de reacutefeacuterence assise est expliqueacutee en annexe
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Test No 2ndash Application de la charge vers lrsquoarriegravere [NSVAC 207 1(a)i(B)]
Figure 5 Point dapplication de la force
Eacutetape 1
Appliquer une charge (en livres) eacutegale agrave 20 fois le poids du siegravege sur un intervalle de temps de
29 secondes La charge doit ecirctre appliqueacutee au centre de graviteacute du siegravege et vers lrsquoarriegravere agrave un
angle de 0 degreacute
Eacutetape 2
Maintenir la charge pendant au moins 10 secondes
Eacutetape 3
Relacirccher la charge
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Test No 3ndash Application simultaneacutee des forces [NSVAC 207 1(a)ii]
Figure 6 Points drsquoapplication des charges
Eacutetape 1
Appliquer 2 charges simultaneacutement sur un intervalle de temps de 29 secondes
- La premiegravere charge (en livres) est eacutegale agrave 20 fois le poids du siegravege et est appliqueacutee au
centre de graviteacute du siegravege vers lrsquoavant agrave un angle de 0 degreacute
- La valeur de la seconde charge deacutepend du type de ceinture installeacutee sur le siegravege Srsquoil
srsquoagit drsquoune ceinture de type I3 la charge agrave appliquer est de 5000 livres Si la ceinture
est de type II4 la charge agrave appliquer est de 3000 livres Cette charge doit ecirctre appliqueacutee
par le biais drsquoune forme de corps retenue par la ceinture de seacutecuriteacute du veacutehicule agrave un
angle compris entre 5 et 10 degreacutes de lrsquohorizontale
Eacutetape 2
Maintenir les charges pendant au moins 10 secondes
Eacutetape 3
Relacirccher les charges
3 Ceinture de seacutecuriteacute agrave 2 points drsquoancrage ougrave une seule sangle est raccordeacutee de chaque cocircteacute du bassin 4 Ceinture de seacutecuriteacute agrave 3 points drsquoancrage ougrave la sangle agrave deux points remonte en travers la poitrine du passager
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2 CADRE THEacuteORIQUE ET EacuteLABORATION DES HYPOTHEgraveSES
21 Cadre theacuteorique
Tout systegraveme agrave fluide sous pression comme celui du banc drsquoessai est toujours composeacute de trois
types de composantes soit
‐ Les composantes actives qui convertissent et modulent lrsquoeacutenergie
‐ Les composantes de liaison qui acheminent lrsquoeacutenergie drsquoune composante active agrave une
autre du moteur agrave la charge
‐ Les composantes passives qui exercent des fonctions secondaires mais qui sont
essentielles pour assurer le bon fonctionnement du systegraveme
Figure 7 Diagramme des principales composantes dun systegraveme hydraulique
211 Composantes actives
2111 Geacuteneacuterateurs
Sur le banc drsquoessai crsquoest la pompe (geacuteneacuterateur pour les liquides) qui produit lrsquoeacutenergie fluide
(volume de fluide sous pression) La puissance fluide est le taux de variation de cette eacutenergie
fluide et est obtenue en multipliant le deacutebit Q et la pression p du fluide
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La pompe se caracteacuterise par sa cylindreacutee D qui deacutepend du volume de fluide refouleacute par uniteacute
de deacuteplacement angulaire de lrsquoarbre (tour ou radian) Les variables de sortie Q et P peuvent ecirctre
exprimeacutees en fonction des variables drsquoentreacutee ωi et Ti selon les eacutequations suivantes
Q ω D
ougrave Q = deacutebit (m3s)
ωi = vitesse angulaire (rads)
D = cylindreacutee (m3rad)
p = pression (Pa)
Ti = couple (Nm)
En consideacuterant la pompe comme un geacuteneacuterateur ideacuteal permettant de transformer lrsquoeacutenergie fluide
sans aucune perte on peut affirmer que la puissance fluide P au refoulement est eacutegale agrave la
puissance meacutecanique drsquoentreacutee Pi soit
ougrave
ougrave Pi est exprimeacute en watts
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2112 Modulateurs
Les modulateurs dans le systegraveme hydraulique sont les valves de direction (distributeurs) les
valves de pression et les valves de deacutebit Sur le banc drsquoessai les valves de direction
(distributeurs) permettent de diriger le fluide drsquoun cocircteacute ou de lrsquoautre dans les veacuterins
(reacutecepteurs) pour qursquoils puissent travailler dans la direction voulue
Les valves de pression et les valves de deacutebit servent respectivement agrave controcircler la pression et le
deacutebit du fluide qui est livreacute aux reacutecepteurs (veacuterins) Lorsque lrsquohuile hydraulique traverse une
valve de pression le fluide est soumis agrave une reacuteduction de pression (de p agrave prsquo) et lorsque cette
huile traverse une valve de deacutebit elle subit une limitation de deacutebit (de Q agrave Qrsquo)
2113 Reacutecepteurs
Les reacutecepteurs dans le systegraveme hydraulique sont agrave mouvement lineacuteaire Les veacuterins sont des
reacutecepteurs qui absorbent lrsquoeacutenergie fluide et la transforment pour produire un travail meacutecanique
en translation Le veacuterin reccediloit le fluide sous pression et en extrait lrsquoeacutenergie avant de le renvoyer
vers le reacuteservoir Le veacuterin est caracteacuteriseacute par une aire A Ainsi on peut exprimer les deux
variables de sortie vo et Fo en fonction des deux variables drsquoentreacutee prsquo et Qrsquo selon les eacutequations
suivantes
prime
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Dans le cas drsquoun veacuterin ideacuteal on peut eacutecrire
Soit
Ougrave vo = vitesse (ms)
A = aire effective (m2)
Fo = force (N)
212 Composantes de liaison
Dans le systegraveme hydraulique les composantes de liaison sont le fluide lui-mecircme et les diverses
canalisations Lrsquohuile hydraulique (fluide) sert agrave transporter lrsquoeacutenergie fluide mais aussi agrave
lubrifier les piegraveces mobiles des veacuterins Cette huile circule dans les canalisations drsquoune
composante agrave une autre Pour eacuteviter drsquoinfluencer lrsquoefficaciteacute et la fiabiliteacute du systegraveme
hydraulique on doit bien choisir dimensionner et installer les canalisations
213 Composantes passives
Les composantes passives du systegraveme hydraulique sont respectivement le reacuteservoir de la pompe
qui permet le stockage de lrsquohuile et la creacutepine qui est un filtre grossier qui protegravege le fluide
contre les polluants externes
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22 Eacutelaboration des hypothegraveses
Voici toutes les hypothegraveses qui ont eacuteteacute poseacutees dans le cadre de ce projet
- La pompe fournie suffisamment de puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins
simultaneacutement
- Les pertes volumeacutetriques dans le circuit sont consideacutereacutees comme eacutetant neacutegligeables
- La pompe se deacutecharge par une valve de mise agrave vide lorsque les veacuterins sont au repos
- Le troisiegraveme distributeur installeacute par Geacuteliko Inc est inutile actuellement
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3 MISE EN ŒUVRE DU MANDAT
31 La recherche de solutions
311 Solution No 1 - Automate programmable
Un automate programmable industriel (API) est un dispositif eacutelectronique qui exerce des
fonctions de controcircle de processus industriels Sa fonction est drsquoenvoyer des commandes aux
preacuteactionneurs (ex les valves) agrave partir des donneacutees drsquoentreacutees qui proviennent des diffeacuterents
capteurs LrsquoAPI est composeacutee drsquoune uniteacute de calculs (processeur) drsquoune alimentation ACDC
et de modules qui sont choisis selon les besoins de lrsquoapplication tel que les cartes drsquoentreacutees-
sorties les modules de communication les modules de commande etc LrsquoAPI peut ecirctre relieacutee agrave
une interface homme-machine agrave un pupitre opeacuterateur agrave une interface graphique ou agrave un
ordinateur Les langages de programmation standards de lrsquoAPI sont le Grafcet et le Ladder
Figure 8 API de marque Allen-Bradley
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Tableau 1 Avantages et inconveacutenients drsquoun automate programmable
Avantages Inconveacutenients
Peu encombrant
Temps de reacuteponse rapide
Facile agrave programmer
Consommation eacutelectrique
acceptable
Configurables et extensibles par
modules
Robuste
Dispendieux pour les petites ou
simples applications
Logiciel de programmation non
gratuit
312 Solution No 2 - Microcontrocircleur
Un microcontrocircleur est comme lrsquoAPI un dispositif eacutelectronique programmable qui peut lire des
signaux drsquoentreacutees et envoyer des signaux de commande agrave des peacuteripheacuteriques externes De plus
le microcontrocircleur rassemble dans un circuit inteacutegreacute tous les eacuteleacutements essentiels agrave son bon
fonctionnement soit le processeur la meacutemoire les uniteacutes peacuteripheacuteriques et les interfaces
drsquoentreacutees-sorties Les langages de programmation des microcontrocircleurs sont varieacutes Basic C
C++ Java etc
Figure 9 Microcontrocircleur de marque Arduino
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Tableau 2 Avantages et inconveacutenients drsquoun microcontrocircleur
Avantages Inconveacutenients
Tregraves peu encombrant
Tregraves faible consommation
eacutelectrique
Logiciel de programmation
geacuteneacuteralement gratuit
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Peu drsquoentreacuteessorties
Langages de programmation plus
contraignants que le Ladder et le
Grafcet
Non extensible
Tregraves fragile
Vitesse de fonctionnement plus
faible
313 Solution No 3 - Relais
Avant lrsquoavegravenement de lrsquoautomate programmable dans le deacutebut des anneacutees 1970 les systegravemes
eacutetaient automatiseacutes agrave lrsquoaide de relais Les relais peuvent ecirctre activeacutes et deacutesactiveacutes sans
interrupteur manuel Aujourdrsquohui les relais servent agrave reacuteduire la taille des panneaux de controcircle
des machines ou agrave creacuteer des cycles drsquoautomatismes simples Mais pour les automatismes qui
requiegraverent un grand nombre drsquoentreacutees sorties on doit remplacer le systegraveme de relayage
devenant trop complexe par un automate programmable
Figure 10 Relais meacutecanique
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Tableau 3 Avantages et inconveacutenients drsquoun relais
Avantages Inconveacutenients
Pas de programmation requise
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Tregraves encombrant
Solution non ideacuteale pour creacuteer des
cycles drsquoautomatismes complexes
Technologie vieillissante
32 Eacutelaboration du baregraveme
Le baregraveme est essentiel lors de lrsquoeacutetape de la prise de deacutecision pour accorder le pointage agrave
chaque solution et pour permettre au concepteur de se fixer des prioriteacutes de conception Le
baregraveme est conccedilu en fonction des critegraveres de qualiteacutes rechercheacutees que lrsquoon associe agrave une eacutechelle
de satisfaction avec une pondeacuteration de 1 agrave 4
Tableau 4 Baregraveme
Critegraveres Objectif 1 2 3 4 Simpliciteacute La programmation
etou lrsquoinstallation de la solution doivent ecirctre faciles
Tregraves difficile Difficile Facile Tregraves facile
Compatibiliteacute Lrsquouniteacute doit ecirctre compatible avec les eacutequipements du banc drsquoessai
Pas compatible Peu compatible Compatible Tregraves compatible
Espace Lrsquoespace requis pour installer lrsquouniteacute est limiteacute
Volume imposant Volume eacuteleveacute Volume moyen Volume neacutegligeable
Fiabiliteacute Durabiliteacute
Lrsquouniteacute doit ecirctre fiable et durable
Tregraves faible Moyennement faible
Moyennement eacuteleveacute
Eacuteleveacute
Coucirct Les contraintes budgeacutetaires doivent ecirctre respecteacutees
Tregraves dispendieux Dispendieux Abordable Tregraves abordable
Efficaciteacute eacutenergeacutetique
La consommation eacutelectrique doit diminuer
Consommation eacuteleveacutee
Consommation normale
Consommation faible
Consommation tregraves faible
Seacutecuriteacute Les risques drsquoaccident de travail doivent diminuer
Tregraves risqueacute Risqueacute Peu risqueacute Aucun risque
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33 Matrice de deacutecision Le tableau suivant preacutesente la matrice de deacutecision Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation de chacune des
solutions on a attribueacute agrave chaque critegravere une note situeacutee en 1 et 4 Les notes des critegraveres sont
multiplieacutees par leurs pondeacuterations respectives ils sont ensuite additionneacutes puis enfin diviser par
4 pour obtenir la note en pourcentage de chaque solution Selon les scores obtenus crsquoest
lrsquoautomate programmable qui est consideacutereacute comme eacutetant la meilleure uniteacute de controcircle
Tableau 5 Matrice de deacutecision
Critegraveres Pondeacuteration Solution 1 2 3
Automate programmable
Microcontrocircleur Relais
Simpliciteacute 30 4 3 1 Compatibiliteacute 20 4 2 1
Espace 5 3 4 1 FiabiliteacuteDurabiliteacute 10 4 2 1
Coucirct 15 2 4 3 Efficaciteacute
eacutenergeacutetique 5 3 4 2
Seacutecuriteacute 15 4 1 1 Reacutesultat 100 90 662 338
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34 La conception de la solution recommandeacutee
341 Eacutetude du systegraveme hydraulique existant
La preacutesente section est une eacutetude plus deacutetailleacutee portant sur les principales composantes dont est
constitueacute le banc drsquoessai actuel Lrsquoeacutetude comporte une analyse de leurs caracteacuteristiques
principales et de leurs modes de fonctionnements On y preacutesente eacutegalement les symboles
graphiques de ces composantes Cette eacutetude est une eacutetape primordiale pour pouvoir bien choisir
les nouveaux eacutequipements et concevoir le circuit hydraulique de la solution finale
3411 Ensemble pompe-moteur-reacuteservoir
Comme dans les tous systegravemes hydrauliques le banc drsquoessai dispose drsquoun ensemble pompe-
moteur-reacuteservoir La pompe transforme lrsquoeacutenergie meacutecanique fournie par le moteur eacutelectrique
rotatif en eacutenergie fluide La pompe deacutemarre degraves qursquoon branche le moteur eacutelectrique agrave la prise de
courant Vous retrouverez ci-dessous les speacutecifications de ces composantes et une photo prise
sur place de lrsquoensemble
Moteur eacutelectrique AC
Figure 11 Repreacutesentation scheacutematique du moteur eacutelectrique AC
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Tableau 6 Speacutecifications du moteur eacutelectrique
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Puissance
(HP)
Voltage
(V)
Vitesse
(RPM)
HY-SPEC MFG03 HYSW850203-1G 1 110220 1800
Pompe
Tableau 7 Speacutecifications de la pompe (supposition5)
Marque Deacutebit max
(GPM)
Pression max
(PSI)
Cylindreacutee
(cm3tr)
Inconnu 18 3200 PSI 4
Reacuteservoir
Figure 12 Repreacutesentation scheacutematique du reacuteservoir
5 Le deacutebit et la pression pouvant ecirctre fournie par la pompe sont des informations qui ont eacuteteacute fournies par
lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai mais qui ne sont pas veacuterifiables
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Tableau 8 Speacutecifications du reacuteservoir
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Volume
(L)
HY-SPEC V120 HYSW880117 12
Figure 13 Photo de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir
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3412 Bloc Manifold (bloc foreacute)
Un bloc manifold est un bloc de meacutetal avec plusieurs canaux inteacutegreacute conccedilu pour la conduite de
fluide dans des espaces confineacutes On retrouve sur le bloc des caviteacutes dans lesquelles on peut
installer diffeacuterentes composantes hydrauliques (valves manomegravetres tuyau etc)
Tableau 9 Speacutecifications du bloc manifold
Marque Numeacutero de
seacuterie
Description Nombre
de
sections
Ports Orifice
de
seacutecuriteacute
Pression
drsquoopeacuteration
maximale
(PSI)
HY-
SPEC
HYSDD03-
P-03-2SS
Type D03
Circuit
parallegravele
3 P amp T = SAE 10
A amp B = SAE 8
GA = SAE 6
T-10A 5000
Figure 14 Photo du bloc manifold
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3413 Veacuterins
Les 2 veacuterins hydrauliques utiliseacutes dans le banc drsquoessai sont des veacuterins agrave mouvement lineacuteaire et agrave
double effet (deux directions de travail) qui convertissent lrsquoeacutenergie fluide en eacutenergie
meacutecanique Chaque veacuterin est composeacute drsquoun tube cylindrique (le cylindre) dans lequel est
inseacutereacutee une piegravece mobile (le corps du piston) qui assure lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre deux chambres La
tige rigide qui est relieacutee au corps du piston sert agrave transmettre lrsquoeffort et le deacuteplacement Les
veacuterins comportent deux orifices (alimentation et refoulement) et la pression peut ecirctre appliqueacutee
de chaque cocircteacute du piston pour entraicircner son deacuteplacement dans un sens ou dans lautre Ce sont
les distributeurs qui permettent drsquointervertir les rocircles des deux orifices pour controcircler la
direction de la tige
Par ailleurs il peut y avoir des fuites volumeacutetriques internes et externes dans les veacuterins et qui
sont indeacutesirables car elles reacuteduisent la dureacutee de vie et le rendement des veacuterins La fuite interne
est en fait un eacutecoulement de lrsquohuile de la chambre agrave haute pression vers la chambre agrave basse
pression qui est due au jeu entre le corps du piston et la paroi interne du cylindre Il peut
eacutegalement y avoir une fuite externe due au jeu entre la tige du piston et la tecircte du cylindre Pour
reacuteduire ces fuites on installe des joints drsquoeacutetancheacuteiteacutes sur le corps du piston et sur la tecircte du
cylindre
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees)
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Leacutegende
1 Cylindre 5 Chambre de refoulement
2 Piston A Orifice drsquoadmission
3 Tige R Orifice de refoulement
4 Chambre drsquoadmission
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin
La principale caracteacuteristique des veacuterins est lrsquoaire effective sur laquelle le fluide exerce une
pression Les aires effectives du corps du piston (cocircteacute fond du veacuterin et cocircteacute tecircte du veacuterin) sont
diffeacuterentes agrave cause de la preacutesence de la tige sur une seule face du corps du piston Par
conseacutequent pour des mecircmes pressions drsquoadmission la force de contraction est plus faible que
la force drsquoextension Les eacutequations ci-dessous servent agrave convertir les forces (lb) en pression
(psi) selon le sens drsquoapplication du veacuterin
Calcul pour la conversion force-pression
Diamegravetre du piston6 25 po
Diamegravetre de la tige 15 po
lowast egrave
4lowast 25po
449087
lowast egrave
4lowast 15po
417671
ocirc eacute ecirc eacute
ocirc eacute eacute
6 Bore est le terme eacutequivalent du corps du piston
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins
Marque Numeacutero de seacuterie Type drsquoorifices Poids
(livres)
Pression
maximale
(pouce)
HY-SPEC HYS 25FEM24-NW SAE-8 40 3000 PSI
3414 Manomegravetre
Actuellement les pressions exerceacutees dans le bloc manifold et dans chaque chambre des veacuterins
sont mesureacutees agrave lrsquoaide de manomegravetre agrave glyceacuterine
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine
Marque Numeacutero de seacuterie Localisation Diamegravetre
(pouce)
Connexion Eacutechelle du
cadran
(PSI)
HY-
SPEC
HYSG22LXB3000PSI-
14NPT
Bloc
manifold
25
frac14 NPT
0 agrave 3000
HY-
SPEC
HYSG22LXB5000PSI-
14NPT
2 par veacuterin 0 agrave 5000
G
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 37
3415 Les distributeurs
Dans le systegraveme hydraulique les distributeurs (valves de distribution) sont les composantes
actives (modulateurs) qui permettent la distribution du flux drsquoeacutenergie vers les 2 veacuterins
(reacutecepteurs) pour les libeacuterer les arrecircter ou les reacutetracter Sur les trois distributeurs installeacutes sur le
banc drsquoessai seuls 2 drsquoentre eux sont utiliseacutes Le troisiegraveme distributeur a eacuteteacute installeacute au cas ougrave
un troisiegraveme veacuterin serait neacutecessaire pour reacutealiser des tests futurs drsquoapregraves lrsquoopeacuterateur du banc
drsquoessai Il srsquoagit de distributeurs agrave tiroir (de type coulissant) agrave quatre orifices et agrave trois positions
agrave action piloteacutee agrave commande eacutelectrique par soleacutenoiumldes et agrave centrage par ressort de rappel
En alimentant lrsquoun des deux soleacutenoiumldes avec un courant eacutelectrique le tiroir du distributeur se
deacuteplace et lrsquohuile circule par des canaux internes de la valve vers lrsquoune des extreacutemiteacutes du tiroir
principal pendant que lrsquoautre extreacutemiteacute de ce tiroir est raccordeacutee au reacuteservoir du systegraveme par
lrsquoaction du distributeur pilote La pression qui srsquoexerce sur la face du tiroir principal engendre
une force qui pousse ce dernier et le maintien en position agrave voies parallegraveles ou en position agrave
voies croiseacutees En alternant entre la position agrave voies parallegraveles et la position agrave voies croiseacutees le
sens de lrsquoeacutecoulement du fluide dans le veacuterin change et donc le sens de lrsquoapplication de la force
Par ailleurs lorsque les deux soleacutenoiumldes du distributeur ne sont plus alimenteacutes par un courant
eacutelectrique le tiroir principal revient agrave sa position de repos gracircce agrave la pousseacutee du ressort de
rappel Puisqursquoil srsquoagit de distributeurs agrave centre fermeacute lrsquohuile ne peut alors plus circuler dans
les distributeurs et ecirctre achemineacutee dans les veacuterins
Figure 18 Les trois positions des distributeurs
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Leacutegende
T Orifice du reacuteservoir
P Orifice de la pompe
A amp B Admission et refoulement
1 Tiroir
2 Corps de valve
3 Ressort de rappel
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute
Figure 20 Photos des 3 distributeurs
Marque Numeacutero de seacuterie Tension
(V)
Deacutebit
max
(GPM)
Pression admissible
(PSI)
HY-
SPEC
HYSFW-02-3C2-
B110-Z5L-50
24 DC 9 4750
(Orifice A B P)
2320
(Orifice T)
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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La commande des distributeurs
Actuellement lrsquoalimentation des soleacutenoiumldes en courant se fait via deux manettes de controcircle
On retrouve sur ces manettes au total 6 boutons qui permettent lrsquoactivation de chacun des
soleacutenoiumldes Le soleacutenoiumlde demeure alimenteacute tant que lrsquoopeacuterateur exerce une pression sur le
bouton Eacutevidemment ces manettes deviendront inutiles lorsque les soleacutenoiumldes seront alimenteacutes
par lrsquoautomate programmable dans la solution finale
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle
Marque Numeacutero de seacuterie Nombre de boutons
HY-SPEC
HYST90009-3P 2
HYST90012-3P 4
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle
Figure 22 Boicircte de conversion7 entre la manette et le distributeur
7 Aucune speacutecification nrsquoest disponible pour la boicircte de conversion des manettes de controcircle
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3416 Limiteurs de deacutebit
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit
Les limiteurs de deacutebit permettent de controcircler les deacutebits drsquoalimentation des veacuterins et par ce fait
les vitesses de sortie et de rentreacutee des tiges des deux veacuterins Pour y arriver ces valves reacutegulent
le deacutebit du fluide en diminuant la section de lrsquoouverture emprunteacutee par celui-ci Le deacutebit est
proportionnel agrave cette ouverture et agrave la racine carreacutee de la perte de charge Sur le banc drsquoessai on
retrouve 2 eacutetrangleurs reacuteglables agrave pointeau par veacuterin Lrsquoeacutetrangleur agrave pointeau est coupleacute dans le
mecircme corps de la valve avec un clapet de retenue avec ressort8 pour que le deacutebit ne soit limiteacute
que dans un seul sens de lrsquoeacutecoulement
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort
Marque Numeacutero de seacuterie Type
Vickers DGMFN-3-Y-A2W-B2W-41 Port double
8 Il y a ouverture du clapet si la pression drsquoentreacutee est supeacuterieure agrave la somme de la pression de sortie et de la pression du ressort
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
Vinc
342
Parm
press
systegrave
man
(man
digit
drsquoen
eacutequi
342
Le f
le m
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12 Le860 mpress
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2 Choix des
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21 Limiteur
Figur
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CMVSS
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47
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200 mA agrave miteurs de
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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Test No 2ndash Application de la charge vers lrsquoarriegravere [NSVAC 207 1(a)i(B)]
Figure 5 Point dapplication de la force
Eacutetape 1
Appliquer une charge (en livres) eacutegale agrave 20 fois le poids du siegravege sur un intervalle de temps de
29 secondes La charge doit ecirctre appliqueacutee au centre de graviteacute du siegravege et vers lrsquoarriegravere agrave un
angle de 0 degreacute
Eacutetape 2
Maintenir la charge pendant au moins 10 secondes
Eacutetape 3
Relacirccher la charge
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Test No 3ndash Application simultaneacutee des forces [NSVAC 207 1(a)ii]
Figure 6 Points drsquoapplication des charges
Eacutetape 1
Appliquer 2 charges simultaneacutement sur un intervalle de temps de 29 secondes
- La premiegravere charge (en livres) est eacutegale agrave 20 fois le poids du siegravege et est appliqueacutee au
centre de graviteacute du siegravege vers lrsquoavant agrave un angle de 0 degreacute
- La valeur de la seconde charge deacutepend du type de ceinture installeacutee sur le siegravege Srsquoil
srsquoagit drsquoune ceinture de type I3 la charge agrave appliquer est de 5000 livres Si la ceinture
est de type II4 la charge agrave appliquer est de 3000 livres Cette charge doit ecirctre appliqueacutee
par le biais drsquoune forme de corps retenue par la ceinture de seacutecuriteacute du veacutehicule agrave un
angle compris entre 5 et 10 degreacutes de lrsquohorizontale
Eacutetape 2
Maintenir les charges pendant au moins 10 secondes
Eacutetape 3
Relacirccher les charges
3 Ceinture de seacutecuriteacute agrave 2 points drsquoancrage ougrave une seule sangle est raccordeacutee de chaque cocircteacute du bassin 4 Ceinture de seacutecuriteacute agrave 3 points drsquoancrage ougrave la sangle agrave deux points remonte en travers la poitrine du passager
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2 CADRE THEacuteORIQUE ET EacuteLABORATION DES HYPOTHEgraveSES
21 Cadre theacuteorique
Tout systegraveme agrave fluide sous pression comme celui du banc drsquoessai est toujours composeacute de trois
types de composantes soit
‐ Les composantes actives qui convertissent et modulent lrsquoeacutenergie
‐ Les composantes de liaison qui acheminent lrsquoeacutenergie drsquoune composante active agrave une
autre du moteur agrave la charge
‐ Les composantes passives qui exercent des fonctions secondaires mais qui sont
essentielles pour assurer le bon fonctionnement du systegraveme
Figure 7 Diagramme des principales composantes dun systegraveme hydraulique
211 Composantes actives
2111 Geacuteneacuterateurs
Sur le banc drsquoessai crsquoest la pompe (geacuteneacuterateur pour les liquides) qui produit lrsquoeacutenergie fluide
(volume de fluide sous pression) La puissance fluide est le taux de variation de cette eacutenergie
fluide et est obtenue en multipliant le deacutebit Q et la pression p du fluide
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La pompe se caracteacuterise par sa cylindreacutee D qui deacutepend du volume de fluide refouleacute par uniteacute
de deacuteplacement angulaire de lrsquoarbre (tour ou radian) Les variables de sortie Q et P peuvent ecirctre
exprimeacutees en fonction des variables drsquoentreacutee ωi et Ti selon les eacutequations suivantes
Q ω D
ougrave Q = deacutebit (m3s)
ωi = vitesse angulaire (rads)
D = cylindreacutee (m3rad)
p = pression (Pa)
Ti = couple (Nm)
En consideacuterant la pompe comme un geacuteneacuterateur ideacuteal permettant de transformer lrsquoeacutenergie fluide
sans aucune perte on peut affirmer que la puissance fluide P au refoulement est eacutegale agrave la
puissance meacutecanique drsquoentreacutee Pi soit
ougrave
ougrave Pi est exprimeacute en watts
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2112 Modulateurs
Les modulateurs dans le systegraveme hydraulique sont les valves de direction (distributeurs) les
valves de pression et les valves de deacutebit Sur le banc drsquoessai les valves de direction
(distributeurs) permettent de diriger le fluide drsquoun cocircteacute ou de lrsquoautre dans les veacuterins
(reacutecepteurs) pour qursquoils puissent travailler dans la direction voulue
Les valves de pression et les valves de deacutebit servent respectivement agrave controcircler la pression et le
deacutebit du fluide qui est livreacute aux reacutecepteurs (veacuterins) Lorsque lrsquohuile hydraulique traverse une
valve de pression le fluide est soumis agrave une reacuteduction de pression (de p agrave prsquo) et lorsque cette
huile traverse une valve de deacutebit elle subit une limitation de deacutebit (de Q agrave Qrsquo)
2113 Reacutecepteurs
Les reacutecepteurs dans le systegraveme hydraulique sont agrave mouvement lineacuteaire Les veacuterins sont des
reacutecepteurs qui absorbent lrsquoeacutenergie fluide et la transforment pour produire un travail meacutecanique
en translation Le veacuterin reccediloit le fluide sous pression et en extrait lrsquoeacutenergie avant de le renvoyer
vers le reacuteservoir Le veacuterin est caracteacuteriseacute par une aire A Ainsi on peut exprimer les deux
variables de sortie vo et Fo en fonction des deux variables drsquoentreacutee prsquo et Qrsquo selon les eacutequations
suivantes
prime
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Dans le cas drsquoun veacuterin ideacuteal on peut eacutecrire
Soit
Ougrave vo = vitesse (ms)
A = aire effective (m2)
Fo = force (N)
212 Composantes de liaison
Dans le systegraveme hydraulique les composantes de liaison sont le fluide lui-mecircme et les diverses
canalisations Lrsquohuile hydraulique (fluide) sert agrave transporter lrsquoeacutenergie fluide mais aussi agrave
lubrifier les piegraveces mobiles des veacuterins Cette huile circule dans les canalisations drsquoune
composante agrave une autre Pour eacuteviter drsquoinfluencer lrsquoefficaciteacute et la fiabiliteacute du systegraveme
hydraulique on doit bien choisir dimensionner et installer les canalisations
213 Composantes passives
Les composantes passives du systegraveme hydraulique sont respectivement le reacuteservoir de la pompe
qui permet le stockage de lrsquohuile et la creacutepine qui est un filtre grossier qui protegravege le fluide
contre les polluants externes
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22 Eacutelaboration des hypothegraveses
Voici toutes les hypothegraveses qui ont eacuteteacute poseacutees dans le cadre de ce projet
- La pompe fournie suffisamment de puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins
simultaneacutement
- Les pertes volumeacutetriques dans le circuit sont consideacutereacutees comme eacutetant neacutegligeables
- La pompe se deacutecharge par une valve de mise agrave vide lorsque les veacuterins sont au repos
- Le troisiegraveme distributeur installeacute par Geacuteliko Inc est inutile actuellement
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3 MISE EN ŒUVRE DU MANDAT
31 La recherche de solutions
311 Solution No 1 - Automate programmable
Un automate programmable industriel (API) est un dispositif eacutelectronique qui exerce des
fonctions de controcircle de processus industriels Sa fonction est drsquoenvoyer des commandes aux
preacuteactionneurs (ex les valves) agrave partir des donneacutees drsquoentreacutees qui proviennent des diffeacuterents
capteurs LrsquoAPI est composeacutee drsquoune uniteacute de calculs (processeur) drsquoune alimentation ACDC
et de modules qui sont choisis selon les besoins de lrsquoapplication tel que les cartes drsquoentreacutees-
sorties les modules de communication les modules de commande etc LrsquoAPI peut ecirctre relieacutee agrave
une interface homme-machine agrave un pupitre opeacuterateur agrave une interface graphique ou agrave un
ordinateur Les langages de programmation standards de lrsquoAPI sont le Grafcet et le Ladder
Figure 8 API de marque Allen-Bradley
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Tableau 1 Avantages et inconveacutenients drsquoun automate programmable
Avantages Inconveacutenients
Peu encombrant
Temps de reacuteponse rapide
Facile agrave programmer
Consommation eacutelectrique
acceptable
Configurables et extensibles par
modules
Robuste
Dispendieux pour les petites ou
simples applications
Logiciel de programmation non
gratuit
312 Solution No 2 - Microcontrocircleur
Un microcontrocircleur est comme lrsquoAPI un dispositif eacutelectronique programmable qui peut lire des
signaux drsquoentreacutees et envoyer des signaux de commande agrave des peacuteripheacuteriques externes De plus
le microcontrocircleur rassemble dans un circuit inteacutegreacute tous les eacuteleacutements essentiels agrave son bon
fonctionnement soit le processeur la meacutemoire les uniteacutes peacuteripheacuteriques et les interfaces
drsquoentreacutees-sorties Les langages de programmation des microcontrocircleurs sont varieacutes Basic C
C++ Java etc
Figure 9 Microcontrocircleur de marque Arduino
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Tableau 2 Avantages et inconveacutenients drsquoun microcontrocircleur
Avantages Inconveacutenients
Tregraves peu encombrant
Tregraves faible consommation
eacutelectrique
Logiciel de programmation
geacuteneacuteralement gratuit
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Peu drsquoentreacuteessorties
Langages de programmation plus
contraignants que le Ladder et le
Grafcet
Non extensible
Tregraves fragile
Vitesse de fonctionnement plus
faible
313 Solution No 3 - Relais
Avant lrsquoavegravenement de lrsquoautomate programmable dans le deacutebut des anneacutees 1970 les systegravemes
eacutetaient automatiseacutes agrave lrsquoaide de relais Les relais peuvent ecirctre activeacutes et deacutesactiveacutes sans
interrupteur manuel Aujourdrsquohui les relais servent agrave reacuteduire la taille des panneaux de controcircle
des machines ou agrave creacuteer des cycles drsquoautomatismes simples Mais pour les automatismes qui
requiegraverent un grand nombre drsquoentreacutees sorties on doit remplacer le systegraveme de relayage
devenant trop complexe par un automate programmable
Figure 10 Relais meacutecanique
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 28
Tableau 3 Avantages et inconveacutenients drsquoun relais
Avantages Inconveacutenients
Pas de programmation requise
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Tregraves encombrant
Solution non ideacuteale pour creacuteer des
cycles drsquoautomatismes complexes
Technologie vieillissante
32 Eacutelaboration du baregraveme
Le baregraveme est essentiel lors de lrsquoeacutetape de la prise de deacutecision pour accorder le pointage agrave
chaque solution et pour permettre au concepteur de se fixer des prioriteacutes de conception Le
baregraveme est conccedilu en fonction des critegraveres de qualiteacutes rechercheacutees que lrsquoon associe agrave une eacutechelle
de satisfaction avec une pondeacuteration de 1 agrave 4
Tableau 4 Baregraveme
Critegraveres Objectif 1 2 3 4 Simpliciteacute La programmation
etou lrsquoinstallation de la solution doivent ecirctre faciles
Tregraves difficile Difficile Facile Tregraves facile
Compatibiliteacute Lrsquouniteacute doit ecirctre compatible avec les eacutequipements du banc drsquoessai
Pas compatible Peu compatible Compatible Tregraves compatible
Espace Lrsquoespace requis pour installer lrsquouniteacute est limiteacute
Volume imposant Volume eacuteleveacute Volume moyen Volume neacutegligeable
Fiabiliteacute Durabiliteacute
Lrsquouniteacute doit ecirctre fiable et durable
Tregraves faible Moyennement faible
Moyennement eacuteleveacute
Eacuteleveacute
Coucirct Les contraintes budgeacutetaires doivent ecirctre respecteacutees
Tregraves dispendieux Dispendieux Abordable Tregraves abordable
Efficaciteacute eacutenergeacutetique
La consommation eacutelectrique doit diminuer
Consommation eacuteleveacutee
Consommation normale
Consommation faible
Consommation tregraves faible
Seacutecuriteacute Les risques drsquoaccident de travail doivent diminuer
Tregraves risqueacute Risqueacute Peu risqueacute Aucun risque
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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33 Matrice de deacutecision Le tableau suivant preacutesente la matrice de deacutecision Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation de chacune des
solutions on a attribueacute agrave chaque critegravere une note situeacutee en 1 et 4 Les notes des critegraveres sont
multiplieacutees par leurs pondeacuterations respectives ils sont ensuite additionneacutes puis enfin diviser par
4 pour obtenir la note en pourcentage de chaque solution Selon les scores obtenus crsquoest
lrsquoautomate programmable qui est consideacutereacute comme eacutetant la meilleure uniteacute de controcircle
Tableau 5 Matrice de deacutecision
Critegraveres Pondeacuteration Solution 1 2 3
Automate programmable
Microcontrocircleur Relais
Simpliciteacute 30 4 3 1 Compatibiliteacute 20 4 2 1
Espace 5 3 4 1 FiabiliteacuteDurabiliteacute 10 4 2 1
Coucirct 15 2 4 3 Efficaciteacute
eacutenergeacutetique 5 3 4 2
Seacutecuriteacute 15 4 1 1 Reacutesultat 100 90 662 338
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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34 La conception de la solution recommandeacutee
341 Eacutetude du systegraveme hydraulique existant
La preacutesente section est une eacutetude plus deacutetailleacutee portant sur les principales composantes dont est
constitueacute le banc drsquoessai actuel Lrsquoeacutetude comporte une analyse de leurs caracteacuteristiques
principales et de leurs modes de fonctionnements On y preacutesente eacutegalement les symboles
graphiques de ces composantes Cette eacutetude est une eacutetape primordiale pour pouvoir bien choisir
les nouveaux eacutequipements et concevoir le circuit hydraulique de la solution finale
3411 Ensemble pompe-moteur-reacuteservoir
Comme dans les tous systegravemes hydrauliques le banc drsquoessai dispose drsquoun ensemble pompe-
moteur-reacuteservoir La pompe transforme lrsquoeacutenergie meacutecanique fournie par le moteur eacutelectrique
rotatif en eacutenergie fluide La pompe deacutemarre degraves qursquoon branche le moteur eacutelectrique agrave la prise de
courant Vous retrouverez ci-dessous les speacutecifications de ces composantes et une photo prise
sur place de lrsquoensemble
Moteur eacutelectrique AC
Figure 11 Repreacutesentation scheacutematique du moteur eacutelectrique AC
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 31
Tableau 6 Speacutecifications du moteur eacutelectrique
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Puissance
(HP)
Voltage
(V)
Vitesse
(RPM)
HY-SPEC MFG03 HYSW850203-1G 1 110220 1800
Pompe
Tableau 7 Speacutecifications de la pompe (supposition5)
Marque Deacutebit max
(GPM)
Pression max
(PSI)
Cylindreacutee
(cm3tr)
Inconnu 18 3200 PSI 4
Reacuteservoir
Figure 12 Repreacutesentation scheacutematique du reacuteservoir
5 Le deacutebit et la pression pouvant ecirctre fournie par la pompe sont des informations qui ont eacuteteacute fournies par
lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai mais qui ne sont pas veacuterifiables
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Tableau 8 Speacutecifications du reacuteservoir
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Volume
(L)
HY-SPEC V120 HYSW880117 12
Figure 13 Photo de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3412 Bloc Manifold (bloc foreacute)
Un bloc manifold est un bloc de meacutetal avec plusieurs canaux inteacutegreacute conccedilu pour la conduite de
fluide dans des espaces confineacutes On retrouve sur le bloc des caviteacutes dans lesquelles on peut
installer diffeacuterentes composantes hydrauliques (valves manomegravetres tuyau etc)
Tableau 9 Speacutecifications du bloc manifold
Marque Numeacutero de
seacuterie
Description Nombre
de
sections
Ports Orifice
de
seacutecuriteacute
Pression
drsquoopeacuteration
maximale
(PSI)
HY-
SPEC
HYSDD03-
P-03-2SS
Type D03
Circuit
parallegravele
3 P amp T = SAE 10
A amp B = SAE 8
GA = SAE 6
T-10A 5000
Figure 14 Photo du bloc manifold
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 34
3413 Veacuterins
Les 2 veacuterins hydrauliques utiliseacutes dans le banc drsquoessai sont des veacuterins agrave mouvement lineacuteaire et agrave
double effet (deux directions de travail) qui convertissent lrsquoeacutenergie fluide en eacutenergie
meacutecanique Chaque veacuterin est composeacute drsquoun tube cylindrique (le cylindre) dans lequel est
inseacutereacutee une piegravece mobile (le corps du piston) qui assure lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre deux chambres La
tige rigide qui est relieacutee au corps du piston sert agrave transmettre lrsquoeffort et le deacuteplacement Les
veacuterins comportent deux orifices (alimentation et refoulement) et la pression peut ecirctre appliqueacutee
de chaque cocircteacute du piston pour entraicircner son deacuteplacement dans un sens ou dans lautre Ce sont
les distributeurs qui permettent drsquointervertir les rocircles des deux orifices pour controcircler la
direction de la tige
Par ailleurs il peut y avoir des fuites volumeacutetriques internes et externes dans les veacuterins et qui
sont indeacutesirables car elles reacuteduisent la dureacutee de vie et le rendement des veacuterins La fuite interne
est en fait un eacutecoulement de lrsquohuile de la chambre agrave haute pression vers la chambre agrave basse
pression qui est due au jeu entre le corps du piston et la paroi interne du cylindre Il peut
eacutegalement y avoir une fuite externe due au jeu entre la tige du piston et la tecircte du cylindre Pour
reacuteduire ces fuites on installe des joints drsquoeacutetancheacuteiteacutes sur le corps du piston et sur la tecircte du
cylindre
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees)
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Leacutegende
1 Cylindre 5 Chambre de refoulement
2 Piston A Orifice drsquoadmission
3 Tige R Orifice de refoulement
4 Chambre drsquoadmission
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin
La principale caracteacuteristique des veacuterins est lrsquoaire effective sur laquelle le fluide exerce une
pression Les aires effectives du corps du piston (cocircteacute fond du veacuterin et cocircteacute tecircte du veacuterin) sont
diffeacuterentes agrave cause de la preacutesence de la tige sur une seule face du corps du piston Par
conseacutequent pour des mecircmes pressions drsquoadmission la force de contraction est plus faible que
la force drsquoextension Les eacutequations ci-dessous servent agrave convertir les forces (lb) en pression
(psi) selon le sens drsquoapplication du veacuterin
Calcul pour la conversion force-pression
Diamegravetre du piston6 25 po
Diamegravetre de la tige 15 po
lowast egrave
4lowast 25po
449087
lowast egrave
4lowast 15po
417671
ocirc eacute ecirc eacute
ocirc eacute eacute
6 Bore est le terme eacutequivalent du corps du piston
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins
Marque Numeacutero de seacuterie Type drsquoorifices Poids
(livres)
Pression
maximale
(pouce)
HY-SPEC HYS 25FEM24-NW SAE-8 40 3000 PSI
3414 Manomegravetre
Actuellement les pressions exerceacutees dans le bloc manifold et dans chaque chambre des veacuterins
sont mesureacutees agrave lrsquoaide de manomegravetre agrave glyceacuterine
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine
Marque Numeacutero de seacuterie Localisation Diamegravetre
(pouce)
Connexion Eacutechelle du
cadran
(PSI)
HY-
SPEC
HYSG22LXB3000PSI-
14NPT
Bloc
manifold
25
frac14 NPT
0 agrave 3000
HY-
SPEC
HYSG22LXB5000PSI-
14NPT
2 par veacuterin 0 agrave 5000
G
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 37
3415 Les distributeurs
Dans le systegraveme hydraulique les distributeurs (valves de distribution) sont les composantes
actives (modulateurs) qui permettent la distribution du flux drsquoeacutenergie vers les 2 veacuterins
(reacutecepteurs) pour les libeacuterer les arrecircter ou les reacutetracter Sur les trois distributeurs installeacutes sur le
banc drsquoessai seuls 2 drsquoentre eux sont utiliseacutes Le troisiegraveme distributeur a eacuteteacute installeacute au cas ougrave
un troisiegraveme veacuterin serait neacutecessaire pour reacutealiser des tests futurs drsquoapregraves lrsquoopeacuterateur du banc
drsquoessai Il srsquoagit de distributeurs agrave tiroir (de type coulissant) agrave quatre orifices et agrave trois positions
agrave action piloteacutee agrave commande eacutelectrique par soleacutenoiumldes et agrave centrage par ressort de rappel
En alimentant lrsquoun des deux soleacutenoiumldes avec un courant eacutelectrique le tiroir du distributeur se
deacuteplace et lrsquohuile circule par des canaux internes de la valve vers lrsquoune des extreacutemiteacutes du tiroir
principal pendant que lrsquoautre extreacutemiteacute de ce tiroir est raccordeacutee au reacuteservoir du systegraveme par
lrsquoaction du distributeur pilote La pression qui srsquoexerce sur la face du tiroir principal engendre
une force qui pousse ce dernier et le maintien en position agrave voies parallegraveles ou en position agrave
voies croiseacutees En alternant entre la position agrave voies parallegraveles et la position agrave voies croiseacutees le
sens de lrsquoeacutecoulement du fluide dans le veacuterin change et donc le sens de lrsquoapplication de la force
Par ailleurs lorsque les deux soleacutenoiumldes du distributeur ne sont plus alimenteacutes par un courant
eacutelectrique le tiroir principal revient agrave sa position de repos gracircce agrave la pousseacutee du ressort de
rappel Puisqursquoil srsquoagit de distributeurs agrave centre fermeacute lrsquohuile ne peut alors plus circuler dans
les distributeurs et ecirctre achemineacutee dans les veacuterins
Figure 18 Les trois positions des distributeurs
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Leacutegende
T Orifice du reacuteservoir
P Orifice de la pompe
A amp B Admission et refoulement
1 Tiroir
2 Corps de valve
3 Ressort de rappel
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute
Figure 20 Photos des 3 distributeurs
Marque Numeacutero de seacuterie Tension
(V)
Deacutebit
max
(GPM)
Pression admissible
(PSI)
HY-
SPEC
HYSFW-02-3C2-
B110-Z5L-50
24 DC 9 4750
(Orifice A B P)
2320
(Orifice T)
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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La commande des distributeurs
Actuellement lrsquoalimentation des soleacutenoiumldes en courant se fait via deux manettes de controcircle
On retrouve sur ces manettes au total 6 boutons qui permettent lrsquoactivation de chacun des
soleacutenoiumldes Le soleacutenoiumlde demeure alimenteacute tant que lrsquoopeacuterateur exerce une pression sur le
bouton Eacutevidemment ces manettes deviendront inutiles lorsque les soleacutenoiumldes seront alimenteacutes
par lrsquoautomate programmable dans la solution finale
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle
Marque Numeacutero de seacuterie Nombre de boutons
HY-SPEC
HYST90009-3P 2
HYST90012-3P 4
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle
Figure 22 Boicircte de conversion7 entre la manette et le distributeur
7 Aucune speacutecification nrsquoest disponible pour la boicircte de conversion des manettes de controcircle
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3416 Limiteurs de deacutebit
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit
Les limiteurs de deacutebit permettent de controcircler les deacutebits drsquoalimentation des veacuterins et par ce fait
les vitesses de sortie et de rentreacutee des tiges des deux veacuterins Pour y arriver ces valves reacutegulent
le deacutebit du fluide en diminuant la section de lrsquoouverture emprunteacutee par celui-ci Le deacutebit est
proportionnel agrave cette ouverture et agrave la racine carreacutee de la perte de charge Sur le banc drsquoessai on
retrouve 2 eacutetrangleurs reacuteglables agrave pointeau par veacuterin Lrsquoeacutetrangleur agrave pointeau est coupleacute dans le
mecircme corps de la valve avec un clapet de retenue avec ressort8 pour que le deacutebit ne soit limiteacute
que dans un seul sens de lrsquoeacutecoulement
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort
Marque Numeacutero de seacuterie Type
Vickers DGMFN-3-Y-A2W-B2W-41 Port double
8 Il y a ouverture du clapet si la pression drsquoentreacutee est supeacuterieure agrave la somme de la pression de sortie et de la pression du ressort
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
Vinc
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modegraveles
epose sur
ndeacutee par
force de
ortie est
e via un
puisqursquoil
200 mA agrave miteurs de
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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Test No 3ndash Application simultaneacutee des forces [NSVAC 207 1(a)ii]
Figure 6 Points drsquoapplication des charges
Eacutetape 1
Appliquer 2 charges simultaneacutement sur un intervalle de temps de 29 secondes
- La premiegravere charge (en livres) est eacutegale agrave 20 fois le poids du siegravege et est appliqueacutee au
centre de graviteacute du siegravege vers lrsquoavant agrave un angle de 0 degreacute
- La valeur de la seconde charge deacutepend du type de ceinture installeacutee sur le siegravege Srsquoil
srsquoagit drsquoune ceinture de type I3 la charge agrave appliquer est de 5000 livres Si la ceinture
est de type II4 la charge agrave appliquer est de 3000 livres Cette charge doit ecirctre appliqueacutee
par le biais drsquoune forme de corps retenue par la ceinture de seacutecuriteacute du veacutehicule agrave un
angle compris entre 5 et 10 degreacutes de lrsquohorizontale
Eacutetape 2
Maintenir les charges pendant au moins 10 secondes
Eacutetape 3
Relacirccher les charges
3 Ceinture de seacutecuriteacute agrave 2 points drsquoancrage ougrave une seule sangle est raccordeacutee de chaque cocircteacute du bassin 4 Ceinture de seacutecuriteacute agrave 3 points drsquoancrage ougrave la sangle agrave deux points remonte en travers la poitrine du passager
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2 CADRE THEacuteORIQUE ET EacuteLABORATION DES HYPOTHEgraveSES
21 Cadre theacuteorique
Tout systegraveme agrave fluide sous pression comme celui du banc drsquoessai est toujours composeacute de trois
types de composantes soit
‐ Les composantes actives qui convertissent et modulent lrsquoeacutenergie
‐ Les composantes de liaison qui acheminent lrsquoeacutenergie drsquoune composante active agrave une
autre du moteur agrave la charge
‐ Les composantes passives qui exercent des fonctions secondaires mais qui sont
essentielles pour assurer le bon fonctionnement du systegraveme
Figure 7 Diagramme des principales composantes dun systegraveme hydraulique
211 Composantes actives
2111 Geacuteneacuterateurs
Sur le banc drsquoessai crsquoest la pompe (geacuteneacuterateur pour les liquides) qui produit lrsquoeacutenergie fluide
(volume de fluide sous pression) La puissance fluide est le taux de variation de cette eacutenergie
fluide et est obtenue en multipliant le deacutebit Q et la pression p du fluide
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La pompe se caracteacuterise par sa cylindreacutee D qui deacutepend du volume de fluide refouleacute par uniteacute
de deacuteplacement angulaire de lrsquoarbre (tour ou radian) Les variables de sortie Q et P peuvent ecirctre
exprimeacutees en fonction des variables drsquoentreacutee ωi et Ti selon les eacutequations suivantes
Q ω D
ougrave Q = deacutebit (m3s)
ωi = vitesse angulaire (rads)
D = cylindreacutee (m3rad)
p = pression (Pa)
Ti = couple (Nm)
En consideacuterant la pompe comme un geacuteneacuterateur ideacuteal permettant de transformer lrsquoeacutenergie fluide
sans aucune perte on peut affirmer que la puissance fluide P au refoulement est eacutegale agrave la
puissance meacutecanique drsquoentreacutee Pi soit
ougrave
ougrave Pi est exprimeacute en watts
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2112 Modulateurs
Les modulateurs dans le systegraveme hydraulique sont les valves de direction (distributeurs) les
valves de pression et les valves de deacutebit Sur le banc drsquoessai les valves de direction
(distributeurs) permettent de diriger le fluide drsquoun cocircteacute ou de lrsquoautre dans les veacuterins
(reacutecepteurs) pour qursquoils puissent travailler dans la direction voulue
Les valves de pression et les valves de deacutebit servent respectivement agrave controcircler la pression et le
deacutebit du fluide qui est livreacute aux reacutecepteurs (veacuterins) Lorsque lrsquohuile hydraulique traverse une
valve de pression le fluide est soumis agrave une reacuteduction de pression (de p agrave prsquo) et lorsque cette
huile traverse une valve de deacutebit elle subit une limitation de deacutebit (de Q agrave Qrsquo)
2113 Reacutecepteurs
Les reacutecepteurs dans le systegraveme hydraulique sont agrave mouvement lineacuteaire Les veacuterins sont des
reacutecepteurs qui absorbent lrsquoeacutenergie fluide et la transforment pour produire un travail meacutecanique
en translation Le veacuterin reccediloit le fluide sous pression et en extrait lrsquoeacutenergie avant de le renvoyer
vers le reacuteservoir Le veacuterin est caracteacuteriseacute par une aire A Ainsi on peut exprimer les deux
variables de sortie vo et Fo en fonction des deux variables drsquoentreacutee prsquo et Qrsquo selon les eacutequations
suivantes
prime
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Dans le cas drsquoun veacuterin ideacuteal on peut eacutecrire
Soit
Ougrave vo = vitesse (ms)
A = aire effective (m2)
Fo = force (N)
212 Composantes de liaison
Dans le systegraveme hydraulique les composantes de liaison sont le fluide lui-mecircme et les diverses
canalisations Lrsquohuile hydraulique (fluide) sert agrave transporter lrsquoeacutenergie fluide mais aussi agrave
lubrifier les piegraveces mobiles des veacuterins Cette huile circule dans les canalisations drsquoune
composante agrave une autre Pour eacuteviter drsquoinfluencer lrsquoefficaciteacute et la fiabiliteacute du systegraveme
hydraulique on doit bien choisir dimensionner et installer les canalisations
213 Composantes passives
Les composantes passives du systegraveme hydraulique sont respectivement le reacuteservoir de la pompe
qui permet le stockage de lrsquohuile et la creacutepine qui est un filtre grossier qui protegravege le fluide
contre les polluants externes
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22 Eacutelaboration des hypothegraveses
Voici toutes les hypothegraveses qui ont eacuteteacute poseacutees dans le cadre de ce projet
- La pompe fournie suffisamment de puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins
simultaneacutement
- Les pertes volumeacutetriques dans le circuit sont consideacutereacutees comme eacutetant neacutegligeables
- La pompe se deacutecharge par une valve de mise agrave vide lorsque les veacuterins sont au repos
- Le troisiegraveme distributeur installeacute par Geacuteliko Inc est inutile actuellement
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3 MISE EN ŒUVRE DU MANDAT
31 La recherche de solutions
311 Solution No 1 - Automate programmable
Un automate programmable industriel (API) est un dispositif eacutelectronique qui exerce des
fonctions de controcircle de processus industriels Sa fonction est drsquoenvoyer des commandes aux
preacuteactionneurs (ex les valves) agrave partir des donneacutees drsquoentreacutees qui proviennent des diffeacuterents
capteurs LrsquoAPI est composeacutee drsquoune uniteacute de calculs (processeur) drsquoune alimentation ACDC
et de modules qui sont choisis selon les besoins de lrsquoapplication tel que les cartes drsquoentreacutees-
sorties les modules de communication les modules de commande etc LrsquoAPI peut ecirctre relieacutee agrave
une interface homme-machine agrave un pupitre opeacuterateur agrave une interface graphique ou agrave un
ordinateur Les langages de programmation standards de lrsquoAPI sont le Grafcet et le Ladder
Figure 8 API de marque Allen-Bradley
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Tableau 1 Avantages et inconveacutenients drsquoun automate programmable
Avantages Inconveacutenients
Peu encombrant
Temps de reacuteponse rapide
Facile agrave programmer
Consommation eacutelectrique
acceptable
Configurables et extensibles par
modules
Robuste
Dispendieux pour les petites ou
simples applications
Logiciel de programmation non
gratuit
312 Solution No 2 - Microcontrocircleur
Un microcontrocircleur est comme lrsquoAPI un dispositif eacutelectronique programmable qui peut lire des
signaux drsquoentreacutees et envoyer des signaux de commande agrave des peacuteripheacuteriques externes De plus
le microcontrocircleur rassemble dans un circuit inteacutegreacute tous les eacuteleacutements essentiels agrave son bon
fonctionnement soit le processeur la meacutemoire les uniteacutes peacuteripheacuteriques et les interfaces
drsquoentreacutees-sorties Les langages de programmation des microcontrocircleurs sont varieacutes Basic C
C++ Java etc
Figure 9 Microcontrocircleur de marque Arduino
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Tableau 2 Avantages et inconveacutenients drsquoun microcontrocircleur
Avantages Inconveacutenients
Tregraves peu encombrant
Tregraves faible consommation
eacutelectrique
Logiciel de programmation
geacuteneacuteralement gratuit
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Peu drsquoentreacuteessorties
Langages de programmation plus
contraignants que le Ladder et le
Grafcet
Non extensible
Tregraves fragile
Vitesse de fonctionnement plus
faible
313 Solution No 3 - Relais
Avant lrsquoavegravenement de lrsquoautomate programmable dans le deacutebut des anneacutees 1970 les systegravemes
eacutetaient automatiseacutes agrave lrsquoaide de relais Les relais peuvent ecirctre activeacutes et deacutesactiveacutes sans
interrupteur manuel Aujourdrsquohui les relais servent agrave reacuteduire la taille des panneaux de controcircle
des machines ou agrave creacuteer des cycles drsquoautomatismes simples Mais pour les automatismes qui
requiegraverent un grand nombre drsquoentreacutees sorties on doit remplacer le systegraveme de relayage
devenant trop complexe par un automate programmable
Figure 10 Relais meacutecanique
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Tableau 3 Avantages et inconveacutenients drsquoun relais
Avantages Inconveacutenients
Pas de programmation requise
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Tregraves encombrant
Solution non ideacuteale pour creacuteer des
cycles drsquoautomatismes complexes
Technologie vieillissante
32 Eacutelaboration du baregraveme
Le baregraveme est essentiel lors de lrsquoeacutetape de la prise de deacutecision pour accorder le pointage agrave
chaque solution et pour permettre au concepteur de se fixer des prioriteacutes de conception Le
baregraveme est conccedilu en fonction des critegraveres de qualiteacutes rechercheacutees que lrsquoon associe agrave une eacutechelle
de satisfaction avec une pondeacuteration de 1 agrave 4
Tableau 4 Baregraveme
Critegraveres Objectif 1 2 3 4 Simpliciteacute La programmation
etou lrsquoinstallation de la solution doivent ecirctre faciles
Tregraves difficile Difficile Facile Tregraves facile
Compatibiliteacute Lrsquouniteacute doit ecirctre compatible avec les eacutequipements du banc drsquoessai
Pas compatible Peu compatible Compatible Tregraves compatible
Espace Lrsquoespace requis pour installer lrsquouniteacute est limiteacute
Volume imposant Volume eacuteleveacute Volume moyen Volume neacutegligeable
Fiabiliteacute Durabiliteacute
Lrsquouniteacute doit ecirctre fiable et durable
Tregraves faible Moyennement faible
Moyennement eacuteleveacute
Eacuteleveacute
Coucirct Les contraintes budgeacutetaires doivent ecirctre respecteacutees
Tregraves dispendieux Dispendieux Abordable Tregraves abordable
Efficaciteacute eacutenergeacutetique
La consommation eacutelectrique doit diminuer
Consommation eacuteleveacutee
Consommation normale
Consommation faible
Consommation tregraves faible
Seacutecuriteacute Les risques drsquoaccident de travail doivent diminuer
Tregraves risqueacute Risqueacute Peu risqueacute Aucun risque
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33 Matrice de deacutecision Le tableau suivant preacutesente la matrice de deacutecision Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation de chacune des
solutions on a attribueacute agrave chaque critegravere une note situeacutee en 1 et 4 Les notes des critegraveres sont
multiplieacutees par leurs pondeacuterations respectives ils sont ensuite additionneacutes puis enfin diviser par
4 pour obtenir la note en pourcentage de chaque solution Selon les scores obtenus crsquoest
lrsquoautomate programmable qui est consideacutereacute comme eacutetant la meilleure uniteacute de controcircle
Tableau 5 Matrice de deacutecision
Critegraveres Pondeacuteration Solution 1 2 3
Automate programmable
Microcontrocircleur Relais
Simpliciteacute 30 4 3 1 Compatibiliteacute 20 4 2 1
Espace 5 3 4 1 FiabiliteacuteDurabiliteacute 10 4 2 1
Coucirct 15 2 4 3 Efficaciteacute
eacutenergeacutetique 5 3 4 2
Seacutecuriteacute 15 4 1 1 Reacutesultat 100 90 662 338
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34 La conception de la solution recommandeacutee
341 Eacutetude du systegraveme hydraulique existant
La preacutesente section est une eacutetude plus deacutetailleacutee portant sur les principales composantes dont est
constitueacute le banc drsquoessai actuel Lrsquoeacutetude comporte une analyse de leurs caracteacuteristiques
principales et de leurs modes de fonctionnements On y preacutesente eacutegalement les symboles
graphiques de ces composantes Cette eacutetude est une eacutetape primordiale pour pouvoir bien choisir
les nouveaux eacutequipements et concevoir le circuit hydraulique de la solution finale
3411 Ensemble pompe-moteur-reacuteservoir
Comme dans les tous systegravemes hydrauliques le banc drsquoessai dispose drsquoun ensemble pompe-
moteur-reacuteservoir La pompe transforme lrsquoeacutenergie meacutecanique fournie par le moteur eacutelectrique
rotatif en eacutenergie fluide La pompe deacutemarre degraves qursquoon branche le moteur eacutelectrique agrave la prise de
courant Vous retrouverez ci-dessous les speacutecifications de ces composantes et une photo prise
sur place de lrsquoensemble
Moteur eacutelectrique AC
Figure 11 Repreacutesentation scheacutematique du moteur eacutelectrique AC
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Tableau 6 Speacutecifications du moteur eacutelectrique
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Puissance
(HP)
Voltage
(V)
Vitesse
(RPM)
HY-SPEC MFG03 HYSW850203-1G 1 110220 1800
Pompe
Tableau 7 Speacutecifications de la pompe (supposition5)
Marque Deacutebit max
(GPM)
Pression max
(PSI)
Cylindreacutee
(cm3tr)
Inconnu 18 3200 PSI 4
Reacuteservoir
Figure 12 Repreacutesentation scheacutematique du reacuteservoir
5 Le deacutebit et la pression pouvant ecirctre fournie par la pompe sont des informations qui ont eacuteteacute fournies par
lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai mais qui ne sont pas veacuterifiables
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Tableau 8 Speacutecifications du reacuteservoir
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Volume
(L)
HY-SPEC V120 HYSW880117 12
Figure 13 Photo de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir
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3412 Bloc Manifold (bloc foreacute)
Un bloc manifold est un bloc de meacutetal avec plusieurs canaux inteacutegreacute conccedilu pour la conduite de
fluide dans des espaces confineacutes On retrouve sur le bloc des caviteacutes dans lesquelles on peut
installer diffeacuterentes composantes hydrauliques (valves manomegravetres tuyau etc)
Tableau 9 Speacutecifications du bloc manifold
Marque Numeacutero de
seacuterie
Description Nombre
de
sections
Ports Orifice
de
seacutecuriteacute
Pression
drsquoopeacuteration
maximale
(PSI)
HY-
SPEC
HYSDD03-
P-03-2SS
Type D03
Circuit
parallegravele
3 P amp T = SAE 10
A amp B = SAE 8
GA = SAE 6
T-10A 5000
Figure 14 Photo du bloc manifold
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3413 Veacuterins
Les 2 veacuterins hydrauliques utiliseacutes dans le banc drsquoessai sont des veacuterins agrave mouvement lineacuteaire et agrave
double effet (deux directions de travail) qui convertissent lrsquoeacutenergie fluide en eacutenergie
meacutecanique Chaque veacuterin est composeacute drsquoun tube cylindrique (le cylindre) dans lequel est
inseacutereacutee une piegravece mobile (le corps du piston) qui assure lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre deux chambres La
tige rigide qui est relieacutee au corps du piston sert agrave transmettre lrsquoeffort et le deacuteplacement Les
veacuterins comportent deux orifices (alimentation et refoulement) et la pression peut ecirctre appliqueacutee
de chaque cocircteacute du piston pour entraicircner son deacuteplacement dans un sens ou dans lautre Ce sont
les distributeurs qui permettent drsquointervertir les rocircles des deux orifices pour controcircler la
direction de la tige
Par ailleurs il peut y avoir des fuites volumeacutetriques internes et externes dans les veacuterins et qui
sont indeacutesirables car elles reacuteduisent la dureacutee de vie et le rendement des veacuterins La fuite interne
est en fait un eacutecoulement de lrsquohuile de la chambre agrave haute pression vers la chambre agrave basse
pression qui est due au jeu entre le corps du piston et la paroi interne du cylindre Il peut
eacutegalement y avoir une fuite externe due au jeu entre la tige du piston et la tecircte du cylindre Pour
reacuteduire ces fuites on installe des joints drsquoeacutetancheacuteiteacutes sur le corps du piston et sur la tecircte du
cylindre
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees)
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Leacutegende
1 Cylindre 5 Chambre de refoulement
2 Piston A Orifice drsquoadmission
3 Tige R Orifice de refoulement
4 Chambre drsquoadmission
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin
La principale caracteacuteristique des veacuterins est lrsquoaire effective sur laquelle le fluide exerce une
pression Les aires effectives du corps du piston (cocircteacute fond du veacuterin et cocircteacute tecircte du veacuterin) sont
diffeacuterentes agrave cause de la preacutesence de la tige sur une seule face du corps du piston Par
conseacutequent pour des mecircmes pressions drsquoadmission la force de contraction est plus faible que
la force drsquoextension Les eacutequations ci-dessous servent agrave convertir les forces (lb) en pression
(psi) selon le sens drsquoapplication du veacuterin
Calcul pour la conversion force-pression
Diamegravetre du piston6 25 po
Diamegravetre de la tige 15 po
lowast egrave
4lowast 25po
449087
lowast egrave
4lowast 15po
417671
ocirc eacute ecirc eacute
ocirc eacute eacute
6 Bore est le terme eacutequivalent du corps du piston
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Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins
Marque Numeacutero de seacuterie Type drsquoorifices Poids
(livres)
Pression
maximale
(pouce)
HY-SPEC HYS 25FEM24-NW SAE-8 40 3000 PSI
3414 Manomegravetre
Actuellement les pressions exerceacutees dans le bloc manifold et dans chaque chambre des veacuterins
sont mesureacutees agrave lrsquoaide de manomegravetre agrave glyceacuterine
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine
Marque Numeacutero de seacuterie Localisation Diamegravetre
(pouce)
Connexion Eacutechelle du
cadran
(PSI)
HY-
SPEC
HYSG22LXB3000PSI-
14NPT
Bloc
manifold
25
frac14 NPT
0 agrave 3000
HY-
SPEC
HYSG22LXB5000PSI-
14NPT
2 par veacuterin 0 agrave 5000
G
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold
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3415 Les distributeurs
Dans le systegraveme hydraulique les distributeurs (valves de distribution) sont les composantes
actives (modulateurs) qui permettent la distribution du flux drsquoeacutenergie vers les 2 veacuterins
(reacutecepteurs) pour les libeacuterer les arrecircter ou les reacutetracter Sur les trois distributeurs installeacutes sur le
banc drsquoessai seuls 2 drsquoentre eux sont utiliseacutes Le troisiegraveme distributeur a eacuteteacute installeacute au cas ougrave
un troisiegraveme veacuterin serait neacutecessaire pour reacutealiser des tests futurs drsquoapregraves lrsquoopeacuterateur du banc
drsquoessai Il srsquoagit de distributeurs agrave tiroir (de type coulissant) agrave quatre orifices et agrave trois positions
agrave action piloteacutee agrave commande eacutelectrique par soleacutenoiumldes et agrave centrage par ressort de rappel
En alimentant lrsquoun des deux soleacutenoiumldes avec un courant eacutelectrique le tiroir du distributeur se
deacuteplace et lrsquohuile circule par des canaux internes de la valve vers lrsquoune des extreacutemiteacutes du tiroir
principal pendant que lrsquoautre extreacutemiteacute de ce tiroir est raccordeacutee au reacuteservoir du systegraveme par
lrsquoaction du distributeur pilote La pression qui srsquoexerce sur la face du tiroir principal engendre
une force qui pousse ce dernier et le maintien en position agrave voies parallegraveles ou en position agrave
voies croiseacutees En alternant entre la position agrave voies parallegraveles et la position agrave voies croiseacutees le
sens de lrsquoeacutecoulement du fluide dans le veacuterin change et donc le sens de lrsquoapplication de la force
Par ailleurs lorsque les deux soleacutenoiumldes du distributeur ne sont plus alimenteacutes par un courant
eacutelectrique le tiroir principal revient agrave sa position de repos gracircce agrave la pousseacutee du ressort de
rappel Puisqursquoil srsquoagit de distributeurs agrave centre fermeacute lrsquohuile ne peut alors plus circuler dans
les distributeurs et ecirctre achemineacutee dans les veacuterins
Figure 18 Les trois positions des distributeurs
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Leacutegende
T Orifice du reacuteservoir
P Orifice de la pompe
A amp B Admission et refoulement
1 Tiroir
2 Corps de valve
3 Ressort de rappel
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute
Figure 20 Photos des 3 distributeurs
Marque Numeacutero de seacuterie Tension
(V)
Deacutebit
max
(GPM)
Pression admissible
(PSI)
HY-
SPEC
HYSFW-02-3C2-
B110-Z5L-50
24 DC 9 4750
(Orifice A B P)
2320
(Orifice T)
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La commande des distributeurs
Actuellement lrsquoalimentation des soleacutenoiumldes en courant se fait via deux manettes de controcircle
On retrouve sur ces manettes au total 6 boutons qui permettent lrsquoactivation de chacun des
soleacutenoiumldes Le soleacutenoiumlde demeure alimenteacute tant que lrsquoopeacuterateur exerce une pression sur le
bouton Eacutevidemment ces manettes deviendront inutiles lorsque les soleacutenoiumldes seront alimenteacutes
par lrsquoautomate programmable dans la solution finale
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle
Marque Numeacutero de seacuterie Nombre de boutons
HY-SPEC
HYST90009-3P 2
HYST90012-3P 4
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle
Figure 22 Boicircte de conversion7 entre la manette et le distributeur
7 Aucune speacutecification nrsquoest disponible pour la boicircte de conversion des manettes de controcircle
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3416 Limiteurs de deacutebit
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit
Les limiteurs de deacutebit permettent de controcircler les deacutebits drsquoalimentation des veacuterins et par ce fait
les vitesses de sortie et de rentreacutee des tiges des deux veacuterins Pour y arriver ces valves reacutegulent
le deacutebit du fluide en diminuant la section de lrsquoouverture emprunteacutee par celui-ci Le deacutebit est
proportionnel agrave cette ouverture et agrave la racine carreacutee de la perte de charge Sur le banc drsquoessai on
retrouve 2 eacutetrangleurs reacuteglables agrave pointeau par veacuterin Lrsquoeacutetrangleur agrave pointeau est coupleacute dans le
mecircme corps de la valve avec un clapet de retenue avec ressort8 pour que le deacutebit ne soit limiteacute
que dans un seul sens de lrsquoeacutecoulement
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort
Marque Numeacutero de seacuterie Type
Vickers DGMFN-3-Y-A2W-B2W-41 Port double
8 Il y a ouverture du clapet si la pression drsquoentreacutee est supeacuterieure agrave la somme de la pression de sortie et de la pression du ressort
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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2 CADRE THEacuteORIQUE ET EacuteLABORATION DES HYPOTHEgraveSES
21 Cadre theacuteorique
Tout systegraveme agrave fluide sous pression comme celui du banc drsquoessai est toujours composeacute de trois
types de composantes soit
‐ Les composantes actives qui convertissent et modulent lrsquoeacutenergie
‐ Les composantes de liaison qui acheminent lrsquoeacutenergie drsquoune composante active agrave une
autre du moteur agrave la charge
‐ Les composantes passives qui exercent des fonctions secondaires mais qui sont
essentielles pour assurer le bon fonctionnement du systegraveme
Figure 7 Diagramme des principales composantes dun systegraveme hydraulique
211 Composantes actives
2111 Geacuteneacuterateurs
Sur le banc drsquoessai crsquoest la pompe (geacuteneacuterateur pour les liquides) qui produit lrsquoeacutenergie fluide
(volume de fluide sous pression) La puissance fluide est le taux de variation de cette eacutenergie
fluide et est obtenue en multipliant le deacutebit Q et la pression p du fluide
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La pompe se caracteacuterise par sa cylindreacutee D qui deacutepend du volume de fluide refouleacute par uniteacute
de deacuteplacement angulaire de lrsquoarbre (tour ou radian) Les variables de sortie Q et P peuvent ecirctre
exprimeacutees en fonction des variables drsquoentreacutee ωi et Ti selon les eacutequations suivantes
Q ω D
ougrave Q = deacutebit (m3s)
ωi = vitesse angulaire (rads)
D = cylindreacutee (m3rad)
p = pression (Pa)
Ti = couple (Nm)
En consideacuterant la pompe comme un geacuteneacuterateur ideacuteal permettant de transformer lrsquoeacutenergie fluide
sans aucune perte on peut affirmer que la puissance fluide P au refoulement est eacutegale agrave la
puissance meacutecanique drsquoentreacutee Pi soit
ougrave
ougrave Pi est exprimeacute en watts
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2112 Modulateurs
Les modulateurs dans le systegraveme hydraulique sont les valves de direction (distributeurs) les
valves de pression et les valves de deacutebit Sur le banc drsquoessai les valves de direction
(distributeurs) permettent de diriger le fluide drsquoun cocircteacute ou de lrsquoautre dans les veacuterins
(reacutecepteurs) pour qursquoils puissent travailler dans la direction voulue
Les valves de pression et les valves de deacutebit servent respectivement agrave controcircler la pression et le
deacutebit du fluide qui est livreacute aux reacutecepteurs (veacuterins) Lorsque lrsquohuile hydraulique traverse une
valve de pression le fluide est soumis agrave une reacuteduction de pression (de p agrave prsquo) et lorsque cette
huile traverse une valve de deacutebit elle subit une limitation de deacutebit (de Q agrave Qrsquo)
2113 Reacutecepteurs
Les reacutecepteurs dans le systegraveme hydraulique sont agrave mouvement lineacuteaire Les veacuterins sont des
reacutecepteurs qui absorbent lrsquoeacutenergie fluide et la transforment pour produire un travail meacutecanique
en translation Le veacuterin reccediloit le fluide sous pression et en extrait lrsquoeacutenergie avant de le renvoyer
vers le reacuteservoir Le veacuterin est caracteacuteriseacute par une aire A Ainsi on peut exprimer les deux
variables de sortie vo et Fo en fonction des deux variables drsquoentreacutee prsquo et Qrsquo selon les eacutequations
suivantes
prime
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Dans le cas drsquoun veacuterin ideacuteal on peut eacutecrire
Soit
Ougrave vo = vitesse (ms)
A = aire effective (m2)
Fo = force (N)
212 Composantes de liaison
Dans le systegraveme hydraulique les composantes de liaison sont le fluide lui-mecircme et les diverses
canalisations Lrsquohuile hydraulique (fluide) sert agrave transporter lrsquoeacutenergie fluide mais aussi agrave
lubrifier les piegraveces mobiles des veacuterins Cette huile circule dans les canalisations drsquoune
composante agrave une autre Pour eacuteviter drsquoinfluencer lrsquoefficaciteacute et la fiabiliteacute du systegraveme
hydraulique on doit bien choisir dimensionner et installer les canalisations
213 Composantes passives
Les composantes passives du systegraveme hydraulique sont respectivement le reacuteservoir de la pompe
qui permet le stockage de lrsquohuile et la creacutepine qui est un filtre grossier qui protegravege le fluide
contre les polluants externes
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22 Eacutelaboration des hypothegraveses
Voici toutes les hypothegraveses qui ont eacuteteacute poseacutees dans le cadre de ce projet
- La pompe fournie suffisamment de puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins
simultaneacutement
- Les pertes volumeacutetriques dans le circuit sont consideacutereacutees comme eacutetant neacutegligeables
- La pompe se deacutecharge par une valve de mise agrave vide lorsque les veacuterins sont au repos
- Le troisiegraveme distributeur installeacute par Geacuteliko Inc est inutile actuellement
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3 MISE EN ŒUVRE DU MANDAT
31 La recherche de solutions
311 Solution No 1 - Automate programmable
Un automate programmable industriel (API) est un dispositif eacutelectronique qui exerce des
fonctions de controcircle de processus industriels Sa fonction est drsquoenvoyer des commandes aux
preacuteactionneurs (ex les valves) agrave partir des donneacutees drsquoentreacutees qui proviennent des diffeacuterents
capteurs LrsquoAPI est composeacutee drsquoune uniteacute de calculs (processeur) drsquoune alimentation ACDC
et de modules qui sont choisis selon les besoins de lrsquoapplication tel que les cartes drsquoentreacutees-
sorties les modules de communication les modules de commande etc LrsquoAPI peut ecirctre relieacutee agrave
une interface homme-machine agrave un pupitre opeacuterateur agrave une interface graphique ou agrave un
ordinateur Les langages de programmation standards de lrsquoAPI sont le Grafcet et le Ladder
Figure 8 API de marque Allen-Bradley
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Tableau 1 Avantages et inconveacutenients drsquoun automate programmable
Avantages Inconveacutenients
Peu encombrant
Temps de reacuteponse rapide
Facile agrave programmer
Consommation eacutelectrique
acceptable
Configurables et extensibles par
modules
Robuste
Dispendieux pour les petites ou
simples applications
Logiciel de programmation non
gratuit
312 Solution No 2 - Microcontrocircleur
Un microcontrocircleur est comme lrsquoAPI un dispositif eacutelectronique programmable qui peut lire des
signaux drsquoentreacutees et envoyer des signaux de commande agrave des peacuteripheacuteriques externes De plus
le microcontrocircleur rassemble dans un circuit inteacutegreacute tous les eacuteleacutements essentiels agrave son bon
fonctionnement soit le processeur la meacutemoire les uniteacutes peacuteripheacuteriques et les interfaces
drsquoentreacutees-sorties Les langages de programmation des microcontrocircleurs sont varieacutes Basic C
C++ Java etc
Figure 9 Microcontrocircleur de marque Arduino
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Tableau 2 Avantages et inconveacutenients drsquoun microcontrocircleur
Avantages Inconveacutenients
Tregraves peu encombrant
Tregraves faible consommation
eacutelectrique
Logiciel de programmation
geacuteneacuteralement gratuit
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Peu drsquoentreacuteessorties
Langages de programmation plus
contraignants que le Ladder et le
Grafcet
Non extensible
Tregraves fragile
Vitesse de fonctionnement plus
faible
313 Solution No 3 - Relais
Avant lrsquoavegravenement de lrsquoautomate programmable dans le deacutebut des anneacutees 1970 les systegravemes
eacutetaient automatiseacutes agrave lrsquoaide de relais Les relais peuvent ecirctre activeacutes et deacutesactiveacutes sans
interrupteur manuel Aujourdrsquohui les relais servent agrave reacuteduire la taille des panneaux de controcircle
des machines ou agrave creacuteer des cycles drsquoautomatismes simples Mais pour les automatismes qui
requiegraverent un grand nombre drsquoentreacutees sorties on doit remplacer le systegraveme de relayage
devenant trop complexe par un automate programmable
Figure 10 Relais meacutecanique
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Tableau 3 Avantages et inconveacutenients drsquoun relais
Avantages Inconveacutenients
Pas de programmation requise
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Tregraves encombrant
Solution non ideacuteale pour creacuteer des
cycles drsquoautomatismes complexes
Technologie vieillissante
32 Eacutelaboration du baregraveme
Le baregraveme est essentiel lors de lrsquoeacutetape de la prise de deacutecision pour accorder le pointage agrave
chaque solution et pour permettre au concepteur de se fixer des prioriteacutes de conception Le
baregraveme est conccedilu en fonction des critegraveres de qualiteacutes rechercheacutees que lrsquoon associe agrave une eacutechelle
de satisfaction avec une pondeacuteration de 1 agrave 4
Tableau 4 Baregraveme
Critegraveres Objectif 1 2 3 4 Simpliciteacute La programmation
etou lrsquoinstallation de la solution doivent ecirctre faciles
Tregraves difficile Difficile Facile Tregraves facile
Compatibiliteacute Lrsquouniteacute doit ecirctre compatible avec les eacutequipements du banc drsquoessai
Pas compatible Peu compatible Compatible Tregraves compatible
Espace Lrsquoespace requis pour installer lrsquouniteacute est limiteacute
Volume imposant Volume eacuteleveacute Volume moyen Volume neacutegligeable
Fiabiliteacute Durabiliteacute
Lrsquouniteacute doit ecirctre fiable et durable
Tregraves faible Moyennement faible
Moyennement eacuteleveacute
Eacuteleveacute
Coucirct Les contraintes budgeacutetaires doivent ecirctre respecteacutees
Tregraves dispendieux Dispendieux Abordable Tregraves abordable
Efficaciteacute eacutenergeacutetique
La consommation eacutelectrique doit diminuer
Consommation eacuteleveacutee
Consommation normale
Consommation faible
Consommation tregraves faible
Seacutecuriteacute Les risques drsquoaccident de travail doivent diminuer
Tregraves risqueacute Risqueacute Peu risqueacute Aucun risque
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33 Matrice de deacutecision Le tableau suivant preacutesente la matrice de deacutecision Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation de chacune des
solutions on a attribueacute agrave chaque critegravere une note situeacutee en 1 et 4 Les notes des critegraveres sont
multiplieacutees par leurs pondeacuterations respectives ils sont ensuite additionneacutes puis enfin diviser par
4 pour obtenir la note en pourcentage de chaque solution Selon les scores obtenus crsquoest
lrsquoautomate programmable qui est consideacutereacute comme eacutetant la meilleure uniteacute de controcircle
Tableau 5 Matrice de deacutecision
Critegraveres Pondeacuteration Solution 1 2 3
Automate programmable
Microcontrocircleur Relais
Simpliciteacute 30 4 3 1 Compatibiliteacute 20 4 2 1
Espace 5 3 4 1 FiabiliteacuteDurabiliteacute 10 4 2 1
Coucirct 15 2 4 3 Efficaciteacute
eacutenergeacutetique 5 3 4 2
Seacutecuriteacute 15 4 1 1 Reacutesultat 100 90 662 338
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34 La conception de la solution recommandeacutee
341 Eacutetude du systegraveme hydraulique existant
La preacutesente section est une eacutetude plus deacutetailleacutee portant sur les principales composantes dont est
constitueacute le banc drsquoessai actuel Lrsquoeacutetude comporte une analyse de leurs caracteacuteristiques
principales et de leurs modes de fonctionnements On y preacutesente eacutegalement les symboles
graphiques de ces composantes Cette eacutetude est une eacutetape primordiale pour pouvoir bien choisir
les nouveaux eacutequipements et concevoir le circuit hydraulique de la solution finale
3411 Ensemble pompe-moteur-reacuteservoir
Comme dans les tous systegravemes hydrauliques le banc drsquoessai dispose drsquoun ensemble pompe-
moteur-reacuteservoir La pompe transforme lrsquoeacutenergie meacutecanique fournie par le moteur eacutelectrique
rotatif en eacutenergie fluide La pompe deacutemarre degraves qursquoon branche le moteur eacutelectrique agrave la prise de
courant Vous retrouverez ci-dessous les speacutecifications de ces composantes et une photo prise
sur place de lrsquoensemble
Moteur eacutelectrique AC
Figure 11 Repreacutesentation scheacutematique du moteur eacutelectrique AC
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Tableau 6 Speacutecifications du moteur eacutelectrique
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Puissance
(HP)
Voltage
(V)
Vitesse
(RPM)
HY-SPEC MFG03 HYSW850203-1G 1 110220 1800
Pompe
Tableau 7 Speacutecifications de la pompe (supposition5)
Marque Deacutebit max
(GPM)
Pression max
(PSI)
Cylindreacutee
(cm3tr)
Inconnu 18 3200 PSI 4
Reacuteservoir
Figure 12 Repreacutesentation scheacutematique du reacuteservoir
5 Le deacutebit et la pression pouvant ecirctre fournie par la pompe sont des informations qui ont eacuteteacute fournies par
lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai mais qui ne sont pas veacuterifiables
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Tableau 8 Speacutecifications du reacuteservoir
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Volume
(L)
HY-SPEC V120 HYSW880117 12
Figure 13 Photo de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir
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3412 Bloc Manifold (bloc foreacute)
Un bloc manifold est un bloc de meacutetal avec plusieurs canaux inteacutegreacute conccedilu pour la conduite de
fluide dans des espaces confineacutes On retrouve sur le bloc des caviteacutes dans lesquelles on peut
installer diffeacuterentes composantes hydrauliques (valves manomegravetres tuyau etc)
Tableau 9 Speacutecifications du bloc manifold
Marque Numeacutero de
seacuterie
Description Nombre
de
sections
Ports Orifice
de
seacutecuriteacute
Pression
drsquoopeacuteration
maximale
(PSI)
HY-
SPEC
HYSDD03-
P-03-2SS
Type D03
Circuit
parallegravele
3 P amp T = SAE 10
A amp B = SAE 8
GA = SAE 6
T-10A 5000
Figure 14 Photo du bloc manifold
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3413 Veacuterins
Les 2 veacuterins hydrauliques utiliseacutes dans le banc drsquoessai sont des veacuterins agrave mouvement lineacuteaire et agrave
double effet (deux directions de travail) qui convertissent lrsquoeacutenergie fluide en eacutenergie
meacutecanique Chaque veacuterin est composeacute drsquoun tube cylindrique (le cylindre) dans lequel est
inseacutereacutee une piegravece mobile (le corps du piston) qui assure lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre deux chambres La
tige rigide qui est relieacutee au corps du piston sert agrave transmettre lrsquoeffort et le deacuteplacement Les
veacuterins comportent deux orifices (alimentation et refoulement) et la pression peut ecirctre appliqueacutee
de chaque cocircteacute du piston pour entraicircner son deacuteplacement dans un sens ou dans lautre Ce sont
les distributeurs qui permettent drsquointervertir les rocircles des deux orifices pour controcircler la
direction de la tige
Par ailleurs il peut y avoir des fuites volumeacutetriques internes et externes dans les veacuterins et qui
sont indeacutesirables car elles reacuteduisent la dureacutee de vie et le rendement des veacuterins La fuite interne
est en fait un eacutecoulement de lrsquohuile de la chambre agrave haute pression vers la chambre agrave basse
pression qui est due au jeu entre le corps du piston et la paroi interne du cylindre Il peut
eacutegalement y avoir une fuite externe due au jeu entre la tige du piston et la tecircte du cylindre Pour
reacuteduire ces fuites on installe des joints drsquoeacutetancheacuteiteacutes sur le corps du piston et sur la tecircte du
cylindre
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees)
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Leacutegende
1 Cylindre 5 Chambre de refoulement
2 Piston A Orifice drsquoadmission
3 Tige R Orifice de refoulement
4 Chambre drsquoadmission
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin
La principale caracteacuteristique des veacuterins est lrsquoaire effective sur laquelle le fluide exerce une
pression Les aires effectives du corps du piston (cocircteacute fond du veacuterin et cocircteacute tecircte du veacuterin) sont
diffeacuterentes agrave cause de la preacutesence de la tige sur une seule face du corps du piston Par
conseacutequent pour des mecircmes pressions drsquoadmission la force de contraction est plus faible que
la force drsquoextension Les eacutequations ci-dessous servent agrave convertir les forces (lb) en pression
(psi) selon le sens drsquoapplication du veacuterin
Calcul pour la conversion force-pression
Diamegravetre du piston6 25 po
Diamegravetre de la tige 15 po
lowast egrave
4lowast 25po
449087
lowast egrave
4lowast 15po
417671
ocirc eacute ecirc eacute
ocirc eacute eacute
6 Bore est le terme eacutequivalent du corps du piston
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Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins
Marque Numeacutero de seacuterie Type drsquoorifices Poids
(livres)
Pression
maximale
(pouce)
HY-SPEC HYS 25FEM24-NW SAE-8 40 3000 PSI
3414 Manomegravetre
Actuellement les pressions exerceacutees dans le bloc manifold et dans chaque chambre des veacuterins
sont mesureacutees agrave lrsquoaide de manomegravetre agrave glyceacuterine
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine
Marque Numeacutero de seacuterie Localisation Diamegravetre
(pouce)
Connexion Eacutechelle du
cadran
(PSI)
HY-
SPEC
HYSG22LXB3000PSI-
14NPT
Bloc
manifold
25
frac14 NPT
0 agrave 3000
HY-
SPEC
HYSG22LXB5000PSI-
14NPT
2 par veacuterin 0 agrave 5000
G
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold
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3415 Les distributeurs
Dans le systegraveme hydraulique les distributeurs (valves de distribution) sont les composantes
actives (modulateurs) qui permettent la distribution du flux drsquoeacutenergie vers les 2 veacuterins
(reacutecepteurs) pour les libeacuterer les arrecircter ou les reacutetracter Sur les trois distributeurs installeacutes sur le
banc drsquoessai seuls 2 drsquoentre eux sont utiliseacutes Le troisiegraveme distributeur a eacuteteacute installeacute au cas ougrave
un troisiegraveme veacuterin serait neacutecessaire pour reacutealiser des tests futurs drsquoapregraves lrsquoopeacuterateur du banc
drsquoessai Il srsquoagit de distributeurs agrave tiroir (de type coulissant) agrave quatre orifices et agrave trois positions
agrave action piloteacutee agrave commande eacutelectrique par soleacutenoiumldes et agrave centrage par ressort de rappel
En alimentant lrsquoun des deux soleacutenoiumldes avec un courant eacutelectrique le tiroir du distributeur se
deacuteplace et lrsquohuile circule par des canaux internes de la valve vers lrsquoune des extreacutemiteacutes du tiroir
principal pendant que lrsquoautre extreacutemiteacute de ce tiroir est raccordeacutee au reacuteservoir du systegraveme par
lrsquoaction du distributeur pilote La pression qui srsquoexerce sur la face du tiroir principal engendre
une force qui pousse ce dernier et le maintien en position agrave voies parallegraveles ou en position agrave
voies croiseacutees En alternant entre la position agrave voies parallegraveles et la position agrave voies croiseacutees le
sens de lrsquoeacutecoulement du fluide dans le veacuterin change et donc le sens de lrsquoapplication de la force
Par ailleurs lorsque les deux soleacutenoiumldes du distributeur ne sont plus alimenteacutes par un courant
eacutelectrique le tiroir principal revient agrave sa position de repos gracircce agrave la pousseacutee du ressort de
rappel Puisqursquoil srsquoagit de distributeurs agrave centre fermeacute lrsquohuile ne peut alors plus circuler dans
les distributeurs et ecirctre achemineacutee dans les veacuterins
Figure 18 Les trois positions des distributeurs
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Leacutegende
T Orifice du reacuteservoir
P Orifice de la pompe
A amp B Admission et refoulement
1 Tiroir
2 Corps de valve
3 Ressort de rappel
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute
Figure 20 Photos des 3 distributeurs
Marque Numeacutero de seacuterie Tension
(V)
Deacutebit
max
(GPM)
Pression admissible
(PSI)
HY-
SPEC
HYSFW-02-3C2-
B110-Z5L-50
24 DC 9 4750
(Orifice A B P)
2320
(Orifice T)
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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La commande des distributeurs
Actuellement lrsquoalimentation des soleacutenoiumldes en courant se fait via deux manettes de controcircle
On retrouve sur ces manettes au total 6 boutons qui permettent lrsquoactivation de chacun des
soleacutenoiumldes Le soleacutenoiumlde demeure alimenteacute tant que lrsquoopeacuterateur exerce une pression sur le
bouton Eacutevidemment ces manettes deviendront inutiles lorsque les soleacutenoiumldes seront alimenteacutes
par lrsquoautomate programmable dans la solution finale
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle
Marque Numeacutero de seacuterie Nombre de boutons
HY-SPEC
HYST90009-3P 2
HYST90012-3P 4
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle
Figure 22 Boicircte de conversion7 entre la manette et le distributeur
7 Aucune speacutecification nrsquoest disponible pour la boicircte de conversion des manettes de controcircle
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3416 Limiteurs de deacutebit
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit
Les limiteurs de deacutebit permettent de controcircler les deacutebits drsquoalimentation des veacuterins et par ce fait
les vitesses de sortie et de rentreacutee des tiges des deux veacuterins Pour y arriver ces valves reacutegulent
le deacutebit du fluide en diminuant la section de lrsquoouverture emprunteacutee par celui-ci Le deacutebit est
proportionnel agrave cette ouverture et agrave la racine carreacutee de la perte de charge Sur le banc drsquoessai on
retrouve 2 eacutetrangleurs reacuteglables agrave pointeau par veacuterin Lrsquoeacutetrangleur agrave pointeau est coupleacute dans le
mecircme corps de la valve avec un clapet de retenue avec ressort8 pour que le deacutebit ne soit limiteacute
que dans un seul sens de lrsquoeacutecoulement
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort
Marque Numeacutero de seacuterie Type
Vickers DGMFN-3-Y-A2W-B2W-41 Port double
8 Il y a ouverture du clapet si la pression drsquoentreacutee est supeacuterieure agrave la somme de la pression de sortie et de la pression du ressort
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 46
deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
Vinc
342
Parm
press
systegrave
man
(man
digit
drsquoen
eacutequi
342
Le f
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12 Le860 mpress
entWLeliegravev
2 Choix des
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21 Limiteur
Figur
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mecircme princip
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manomegravetres
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controcircle du ba
Hiver201
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11
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CMVSS
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47
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nomegravetres
tibiliteacute et
modegraveles
epose sur
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force de
ortie est
e via un
puisqursquoil
200 mA agrave miteurs de
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 48
srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 53
Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 55
5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 56
6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 57
CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
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7 DUPLOMATIC OLEADINAMICA Proportional
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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La pompe se caracteacuterise par sa cylindreacutee D qui deacutepend du volume de fluide refouleacute par uniteacute
de deacuteplacement angulaire de lrsquoarbre (tour ou radian) Les variables de sortie Q et P peuvent ecirctre
exprimeacutees en fonction des variables drsquoentreacutee ωi et Ti selon les eacutequations suivantes
Q ω D
ougrave Q = deacutebit (m3s)
ωi = vitesse angulaire (rads)
D = cylindreacutee (m3rad)
p = pression (Pa)
Ti = couple (Nm)
En consideacuterant la pompe comme un geacuteneacuterateur ideacuteal permettant de transformer lrsquoeacutenergie fluide
sans aucune perte on peut affirmer que la puissance fluide P au refoulement est eacutegale agrave la
puissance meacutecanique drsquoentreacutee Pi soit
ougrave
ougrave Pi est exprimeacute en watts
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2112 Modulateurs
Les modulateurs dans le systegraveme hydraulique sont les valves de direction (distributeurs) les
valves de pression et les valves de deacutebit Sur le banc drsquoessai les valves de direction
(distributeurs) permettent de diriger le fluide drsquoun cocircteacute ou de lrsquoautre dans les veacuterins
(reacutecepteurs) pour qursquoils puissent travailler dans la direction voulue
Les valves de pression et les valves de deacutebit servent respectivement agrave controcircler la pression et le
deacutebit du fluide qui est livreacute aux reacutecepteurs (veacuterins) Lorsque lrsquohuile hydraulique traverse une
valve de pression le fluide est soumis agrave une reacuteduction de pression (de p agrave prsquo) et lorsque cette
huile traverse une valve de deacutebit elle subit une limitation de deacutebit (de Q agrave Qrsquo)
2113 Reacutecepteurs
Les reacutecepteurs dans le systegraveme hydraulique sont agrave mouvement lineacuteaire Les veacuterins sont des
reacutecepteurs qui absorbent lrsquoeacutenergie fluide et la transforment pour produire un travail meacutecanique
en translation Le veacuterin reccediloit le fluide sous pression et en extrait lrsquoeacutenergie avant de le renvoyer
vers le reacuteservoir Le veacuterin est caracteacuteriseacute par une aire A Ainsi on peut exprimer les deux
variables de sortie vo et Fo en fonction des deux variables drsquoentreacutee prsquo et Qrsquo selon les eacutequations
suivantes
prime
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Dans le cas drsquoun veacuterin ideacuteal on peut eacutecrire
Soit
Ougrave vo = vitesse (ms)
A = aire effective (m2)
Fo = force (N)
212 Composantes de liaison
Dans le systegraveme hydraulique les composantes de liaison sont le fluide lui-mecircme et les diverses
canalisations Lrsquohuile hydraulique (fluide) sert agrave transporter lrsquoeacutenergie fluide mais aussi agrave
lubrifier les piegraveces mobiles des veacuterins Cette huile circule dans les canalisations drsquoune
composante agrave une autre Pour eacuteviter drsquoinfluencer lrsquoefficaciteacute et la fiabiliteacute du systegraveme
hydraulique on doit bien choisir dimensionner et installer les canalisations
213 Composantes passives
Les composantes passives du systegraveme hydraulique sont respectivement le reacuteservoir de la pompe
qui permet le stockage de lrsquohuile et la creacutepine qui est un filtre grossier qui protegravege le fluide
contre les polluants externes
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22 Eacutelaboration des hypothegraveses
Voici toutes les hypothegraveses qui ont eacuteteacute poseacutees dans le cadre de ce projet
- La pompe fournie suffisamment de puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins
simultaneacutement
- Les pertes volumeacutetriques dans le circuit sont consideacutereacutees comme eacutetant neacutegligeables
- La pompe se deacutecharge par une valve de mise agrave vide lorsque les veacuterins sont au repos
- Le troisiegraveme distributeur installeacute par Geacuteliko Inc est inutile actuellement
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3 MISE EN ŒUVRE DU MANDAT
31 La recherche de solutions
311 Solution No 1 - Automate programmable
Un automate programmable industriel (API) est un dispositif eacutelectronique qui exerce des
fonctions de controcircle de processus industriels Sa fonction est drsquoenvoyer des commandes aux
preacuteactionneurs (ex les valves) agrave partir des donneacutees drsquoentreacutees qui proviennent des diffeacuterents
capteurs LrsquoAPI est composeacutee drsquoune uniteacute de calculs (processeur) drsquoune alimentation ACDC
et de modules qui sont choisis selon les besoins de lrsquoapplication tel que les cartes drsquoentreacutees-
sorties les modules de communication les modules de commande etc LrsquoAPI peut ecirctre relieacutee agrave
une interface homme-machine agrave un pupitre opeacuterateur agrave une interface graphique ou agrave un
ordinateur Les langages de programmation standards de lrsquoAPI sont le Grafcet et le Ladder
Figure 8 API de marque Allen-Bradley
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Tableau 1 Avantages et inconveacutenients drsquoun automate programmable
Avantages Inconveacutenients
Peu encombrant
Temps de reacuteponse rapide
Facile agrave programmer
Consommation eacutelectrique
acceptable
Configurables et extensibles par
modules
Robuste
Dispendieux pour les petites ou
simples applications
Logiciel de programmation non
gratuit
312 Solution No 2 - Microcontrocircleur
Un microcontrocircleur est comme lrsquoAPI un dispositif eacutelectronique programmable qui peut lire des
signaux drsquoentreacutees et envoyer des signaux de commande agrave des peacuteripheacuteriques externes De plus
le microcontrocircleur rassemble dans un circuit inteacutegreacute tous les eacuteleacutements essentiels agrave son bon
fonctionnement soit le processeur la meacutemoire les uniteacutes peacuteripheacuteriques et les interfaces
drsquoentreacutees-sorties Les langages de programmation des microcontrocircleurs sont varieacutes Basic C
C++ Java etc
Figure 9 Microcontrocircleur de marque Arduino
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Tableau 2 Avantages et inconveacutenients drsquoun microcontrocircleur
Avantages Inconveacutenients
Tregraves peu encombrant
Tregraves faible consommation
eacutelectrique
Logiciel de programmation
geacuteneacuteralement gratuit
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Peu drsquoentreacuteessorties
Langages de programmation plus
contraignants que le Ladder et le
Grafcet
Non extensible
Tregraves fragile
Vitesse de fonctionnement plus
faible
313 Solution No 3 - Relais
Avant lrsquoavegravenement de lrsquoautomate programmable dans le deacutebut des anneacutees 1970 les systegravemes
eacutetaient automatiseacutes agrave lrsquoaide de relais Les relais peuvent ecirctre activeacutes et deacutesactiveacutes sans
interrupteur manuel Aujourdrsquohui les relais servent agrave reacuteduire la taille des panneaux de controcircle
des machines ou agrave creacuteer des cycles drsquoautomatismes simples Mais pour les automatismes qui
requiegraverent un grand nombre drsquoentreacutees sorties on doit remplacer le systegraveme de relayage
devenant trop complexe par un automate programmable
Figure 10 Relais meacutecanique
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Tableau 3 Avantages et inconveacutenients drsquoun relais
Avantages Inconveacutenients
Pas de programmation requise
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Tregraves encombrant
Solution non ideacuteale pour creacuteer des
cycles drsquoautomatismes complexes
Technologie vieillissante
32 Eacutelaboration du baregraveme
Le baregraveme est essentiel lors de lrsquoeacutetape de la prise de deacutecision pour accorder le pointage agrave
chaque solution et pour permettre au concepteur de se fixer des prioriteacutes de conception Le
baregraveme est conccedilu en fonction des critegraveres de qualiteacutes rechercheacutees que lrsquoon associe agrave une eacutechelle
de satisfaction avec une pondeacuteration de 1 agrave 4
Tableau 4 Baregraveme
Critegraveres Objectif 1 2 3 4 Simpliciteacute La programmation
etou lrsquoinstallation de la solution doivent ecirctre faciles
Tregraves difficile Difficile Facile Tregraves facile
Compatibiliteacute Lrsquouniteacute doit ecirctre compatible avec les eacutequipements du banc drsquoessai
Pas compatible Peu compatible Compatible Tregraves compatible
Espace Lrsquoespace requis pour installer lrsquouniteacute est limiteacute
Volume imposant Volume eacuteleveacute Volume moyen Volume neacutegligeable
Fiabiliteacute Durabiliteacute
Lrsquouniteacute doit ecirctre fiable et durable
Tregraves faible Moyennement faible
Moyennement eacuteleveacute
Eacuteleveacute
Coucirct Les contraintes budgeacutetaires doivent ecirctre respecteacutees
Tregraves dispendieux Dispendieux Abordable Tregraves abordable
Efficaciteacute eacutenergeacutetique
La consommation eacutelectrique doit diminuer
Consommation eacuteleveacutee
Consommation normale
Consommation faible
Consommation tregraves faible
Seacutecuriteacute Les risques drsquoaccident de travail doivent diminuer
Tregraves risqueacute Risqueacute Peu risqueacute Aucun risque
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33 Matrice de deacutecision Le tableau suivant preacutesente la matrice de deacutecision Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation de chacune des
solutions on a attribueacute agrave chaque critegravere une note situeacutee en 1 et 4 Les notes des critegraveres sont
multiplieacutees par leurs pondeacuterations respectives ils sont ensuite additionneacutes puis enfin diviser par
4 pour obtenir la note en pourcentage de chaque solution Selon les scores obtenus crsquoest
lrsquoautomate programmable qui est consideacutereacute comme eacutetant la meilleure uniteacute de controcircle
Tableau 5 Matrice de deacutecision
Critegraveres Pondeacuteration Solution 1 2 3
Automate programmable
Microcontrocircleur Relais
Simpliciteacute 30 4 3 1 Compatibiliteacute 20 4 2 1
Espace 5 3 4 1 FiabiliteacuteDurabiliteacute 10 4 2 1
Coucirct 15 2 4 3 Efficaciteacute
eacutenergeacutetique 5 3 4 2
Seacutecuriteacute 15 4 1 1 Reacutesultat 100 90 662 338
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34 La conception de la solution recommandeacutee
341 Eacutetude du systegraveme hydraulique existant
La preacutesente section est une eacutetude plus deacutetailleacutee portant sur les principales composantes dont est
constitueacute le banc drsquoessai actuel Lrsquoeacutetude comporte une analyse de leurs caracteacuteristiques
principales et de leurs modes de fonctionnements On y preacutesente eacutegalement les symboles
graphiques de ces composantes Cette eacutetude est une eacutetape primordiale pour pouvoir bien choisir
les nouveaux eacutequipements et concevoir le circuit hydraulique de la solution finale
3411 Ensemble pompe-moteur-reacuteservoir
Comme dans les tous systegravemes hydrauliques le banc drsquoessai dispose drsquoun ensemble pompe-
moteur-reacuteservoir La pompe transforme lrsquoeacutenergie meacutecanique fournie par le moteur eacutelectrique
rotatif en eacutenergie fluide La pompe deacutemarre degraves qursquoon branche le moteur eacutelectrique agrave la prise de
courant Vous retrouverez ci-dessous les speacutecifications de ces composantes et une photo prise
sur place de lrsquoensemble
Moteur eacutelectrique AC
Figure 11 Repreacutesentation scheacutematique du moteur eacutelectrique AC
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Tableau 6 Speacutecifications du moteur eacutelectrique
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Puissance
(HP)
Voltage
(V)
Vitesse
(RPM)
HY-SPEC MFG03 HYSW850203-1G 1 110220 1800
Pompe
Tableau 7 Speacutecifications de la pompe (supposition5)
Marque Deacutebit max
(GPM)
Pression max
(PSI)
Cylindreacutee
(cm3tr)
Inconnu 18 3200 PSI 4
Reacuteservoir
Figure 12 Repreacutesentation scheacutematique du reacuteservoir
5 Le deacutebit et la pression pouvant ecirctre fournie par la pompe sont des informations qui ont eacuteteacute fournies par
lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai mais qui ne sont pas veacuterifiables
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Tableau 8 Speacutecifications du reacuteservoir
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Volume
(L)
HY-SPEC V120 HYSW880117 12
Figure 13 Photo de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3412 Bloc Manifold (bloc foreacute)
Un bloc manifold est un bloc de meacutetal avec plusieurs canaux inteacutegreacute conccedilu pour la conduite de
fluide dans des espaces confineacutes On retrouve sur le bloc des caviteacutes dans lesquelles on peut
installer diffeacuterentes composantes hydrauliques (valves manomegravetres tuyau etc)
Tableau 9 Speacutecifications du bloc manifold
Marque Numeacutero de
seacuterie
Description Nombre
de
sections
Ports Orifice
de
seacutecuriteacute
Pression
drsquoopeacuteration
maximale
(PSI)
HY-
SPEC
HYSDD03-
P-03-2SS
Type D03
Circuit
parallegravele
3 P amp T = SAE 10
A amp B = SAE 8
GA = SAE 6
T-10A 5000
Figure 14 Photo du bloc manifold
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3413 Veacuterins
Les 2 veacuterins hydrauliques utiliseacutes dans le banc drsquoessai sont des veacuterins agrave mouvement lineacuteaire et agrave
double effet (deux directions de travail) qui convertissent lrsquoeacutenergie fluide en eacutenergie
meacutecanique Chaque veacuterin est composeacute drsquoun tube cylindrique (le cylindre) dans lequel est
inseacutereacutee une piegravece mobile (le corps du piston) qui assure lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre deux chambres La
tige rigide qui est relieacutee au corps du piston sert agrave transmettre lrsquoeffort et le deacuteplacement Les
veacuterins comportent deux orifices (alimentation et refoulement) et la pression peut ecirctre appliqueacutee
de chaque cocircteacute du piston pour entraicircner son deacuteplacement dans un sens ou dans lautre Ce sont
les distributeurs qui permettent drsquointervertir les rocircles des deux orifices pour controcircler la
direction de la tige
Par ailleurs il peut y avoir des fuites volumeacutetriques internes et externes dans les veacuterins et qui
sont indeacutesirables car elles reacuteduisent la dureacutee de vie et le rendement des veacuterins La fuite interne
est en fait un eacutecoulement de lrsquohuile de la chambre agrave haute pression vers la chambre agrave basse
pression qui est due au jeu entre le corps du piston et la paroi interne du cylindre Il peut
eacutegalement y avoir une fuite externe due au jeu entre la tige du piston et la tecircte du cylindre Pour
reacuteduire ces fuites on installe des joints drsquoeacutetancheacuteiteacutes sur le corps du piston et sur la tecircte du
cylindre
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees)
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Leacutegende
1 Cylindre 5 Chambre de refoulement
2 Piston A Orifice drsquoadmission
3 Tige R Orifice de refoulement
4 Chambre drsquoadmission
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin
La principale caracteacuteristique des veacuterins est lrsquoaire effective sur laquelle le fluide exerce une
pression Les aires effectives du corps du piston (cocircteacute fond du veacuterin et cocircteacute tecircte du veacuterin) sont
diffeacuterentes agrave cause de la preacutesence de la tige sur une seule face du corps du piston Par
conseacutequent pour des mecircmes pressions drsquoadmission la force de contraction est plus faible que
la force drsquoextension Les eacutequations ci-dessous servent agrave convertir les forces (lb) en pression
(psi) selon le sens drsquoapplication du veacuterin
Calcul pour la conversion force-pression
Diamegravetre du piston6 25 po
Diamegravetre de la tige 15 po
lowast egrave
4lowast 25po
449087
lowast egrave
4lowast 15po
417671
ocirc eacute ecirc eacute
ocirc eacute eacute
6 Bore est le terme eacutequivalent du corps du piston
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins
Marque Numeacutero de seacuterie Type drsquoorifices Poids
(livres)
Pression
maximale
(pouce)
HY-SPEC HYS 25FEM24-NW SAE-8 40 3000 PSI
3414 Manomegravetre
Actuellement les pressions exerceacutees dans le bloc manifold et dans chaque chambre des veacuterins
sont mesureacutees agrave lrsquoaide de manomegravetre agrave glyceacuterine
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine
Marque Numeacutero de seacuterie Localisation Diamegravetre
(pouce)
Connexion Eacutechelle du
cadran
(PSI)
HY-
SPEC
HYSG22LXB3000PSI-
14NPT
Bloc
manifold
25
frac14 NPT
0 agrave 3000
HY-
SPEC
HYSG22LXB5000PSI-
14NPT
2 par veacuterin 0 agrave 5000
G
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3415 Les distributeurs
Dans le systegraveme hydraulique les distributeurs (valves de distribution) sont les composantes
actives (modulateurs) qui permettent la distribution du flux drsquoeacutenergie vers les 2 veacuterins
(reacutecepteurs) pour les libeacuterer les arrecircter ou les reacutetracter Sur les trois distributeurs installeacutes sur le
banc drsquoessai seuls 2 drsquoentre eux sont utiliseacutes Le troisiegraveme distributeur a eacuteteacute installeacute au cas ougrave
un troisiegraveme veacuterin serait neacutecessaire pour reacutealiser des tests futurs drsquoapregraves lrsquoopeacuterateur du banc
drsquoessai Il srsquoagit de distributeurs agrave tiroir (de type coulissant) agrave quatre orifices et agrave trois positions
agrave action piloteacutee agrave commande eacutelectrique par soleacutenoiumldes et agrave centrage par ressort de rappel
En alimentant lrsquoun des deux soleacutenoiumldes avec un courant eacutelectrique le tiroir du distributeur se
deacuteplace et lrsquohuile circule par des canaux internes de la valve vers lrsquoune des extreacutemiteacutes du tiroir
principal pendant que lrsquoautre extreacutemiteacute de ce tiroir est raccordeacutee au reacuteservoir du systegraveme par
lrsquoaction du distributeur pilote La pression qui srsquoexerce sur la face du tiroir principal engendre
une force qui pousse ce dernier et le maintien en position agrave voies parallegraveles ou en position agrave
voies croiseacutees En alternant entre la position agrave voies parallegraveles et la position agrave voies croiseacutees le
sens de lrsquoeacutecoulement du fluide dans le veacuterin change et donc le sens de lrsquoapplication de la force
Par ailleurs lorsque les deux soleacutenoiumldes du distributeur ne sont plus alimenteacutes par un courant
eacutelectrique le tiroir principal revient agrave sa position de repos gracircce agrave la pousseacutee du ressort de
rappel Puisqursquoil srsquoagit de distributeurs agrave centre fermeacute lrsquohuile ne peut alors plus circuler dans
les distributeurs et ecirctre achemineacutee dans les veacuterins
Figure 18 Les trois positions des distributeurs
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Leacutegende
T Orifice du reacuteservoir
P Orifice de la pompe
A amp B Admission et refoulement
1 Tiroir
2 Corps de valve
3 Ressort de rappel
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute
Figure 20 Photos des 3 distributeurs
Marque Numeacutero de seacuterie Tension
(V)
Deacutebit
max
(GPM)
Pression admissible
(PSI)
HY-
SPEC
HYSFW-02-3C2-
B110-Z5L-50
24 DC 9 4750
(Orifice A B P)
2320
(Orifice T)
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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La commande des distributeurs
Actuellement lrsquoalimentation des soleacutenoiumldes en courant se fait via deux manettes de controcircle
On retrouve sur ces manettes au total 6 boutons qui permettent lrsquoactivation de chacun des
soleacutenoiumldes Le soleacutenoiumlde demeure alimenteacute tant que lrsquoopeacuterateur exerce une pression sur le
bouton Eacutevidemment ces manettes deviendront inutiles lorsque les soleacutenoiumldes seront alimenteacutes
par lrsquoautomate programmable dans la solution finale
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle
Marque Numeacutero de seacuterie Nombre de boutons
HY-SPEC
HYST90009-3P 2
HYST90012-3P 4
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle
Figure 22 Boicircte de conversion7 entre la manette et le distributeur
7 Aucune speacutecification nrsquoest disponible pour la boicircte de conversion des manettes de controcircle
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3416 Limiteurs de deacutebit
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit
Les limiteurs de deacutebit permettent de controcircler les deacutebits drsquoalimentation des veacuterins et par ce fait
les vitesses de sortie et de rentreacutee des tiges des deux veacuterins Pour y arriver ces valves reacutegulent
le deacutebit du fluide en diminuant la section de lrsquoouverture emprunteacutee par celui-ci Le deacutebit est
proportionnel agrave cette ouverture et agrave la racine carreacutee de la perte de charge Sur le banc drsquoessai on
retrouve 2 eacutetrangleurs reacuteglables agrave pointeau par veacuterin Lrsquoeacutetrangleur agrave pointeau est coupleacute dans le
mecircme corps de la valve avec un clapet de retenue avec ressort8 pour que le deacutebit ne soit limiteacute
que dans un seul sens de lrsquoeacutecoulement
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort
Marque Numeacutero de seacuterie Type
Vickers DGMFN-3-Y-A2W-B2W-41 Port double
8 Il y a ouverture du clapet si la pression drsquoentreacutee est supeacuterieure agrave la somme de la pression de sortie et de la pression du ressort
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
Vinc
342
Parm
press
systegrave
man
(man
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342
Le f
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Figur
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200 mA agrave miteurs de
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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2112 Modulateurs
Les modulateurs dans le systegraveme hydraulique sont les valves de direction (distributeurs) les
valves de pression et les valves de deacutebit Sur le banc drsquoessai les valves de direction
(distributeurs) permettent de diriger le fluide drsquoun cocircteacute ou de lrsquoautre dans les veacuterins
(reacutecepteurs) pour qursquoils puissent travailler dans la direction voulue
Les valves de pression et les valves de deacutebit servent respectivement agrave controcircler la pression et le
deacutebit du fluide qui est livreacute aux reacutecepteurs (veacuterins) Lorsque lrsquohuile hydraulique traverse une
valve de pression le fluide est soumis agrave une reacuteduction de pression (de p agrave prsquo) et lorsque cette
huile traverse une valve de deacutebit elle subit une limitation de deacutebit (de Q agrave Qrsquo)
2113 Reacutecepteurs
Les reacutecepteurs dans le systegraveme hydraulique sont agrave mouvement lineacuteaire Les veacuterins sont des
reacutecepteurs qui absorbent lrsquoeacutenergie fluide et la transforment pour produire un travail meacutecanique
en translation Le veacuterin reccediloit le fluide sous pression et en extrait lrsquoeacutenergie avant de le renvoyer
vers le reacuteservoir Le veacuterin est caracteacuteriseacute par une aire A Ainsi on peut exprimer les deux
variables de sortie vo et Fo en fonction des deux variables drsquoentreacutee prsquo et Qrsquo selon les eacutequations
suivantes
prime
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Dans le cas drsquoun veacuterin ideacuteal on peut eacutecrire
Soit
Ougrave vo = vitesse (ms)
A = aire effective (m2)
Fo = force (N)
212 Composantes de liaison
Dans le systegraveme hydraulique les composantes de liaison sont le fluide lui-mecircme et les diverses
canalisations Lrsquohuile hydraulique (fluide) sert agrave transporter lrsquoeacutenergie fluide mais aussi agrave
lubrifier les piegraveces mobiles des veacuterins Cette huile circule dans les canalisations drsquoune
composante agrave une autre Pour eacuteviter drsquoinfluencer lrsquoefficaciteacute et la fiabiliteacute du systegraveme
hydraulique on doit bien choisir dimensionner et installer les canalisations
213 Composantes passives
Les composantes passives du systegraveme hydraulique sont respectivement le reacuteservoir de la pompe
qui permet le stockage de lrsquohuile et la creacutepine qui est un filtre grossier qui protegravege le fluide
contre les polluants externes
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22 Eacutelaboration des hypothegraveses
Voici toutes les hypothegraveses qui ont eacuteteacute poseacutees dans le cadre de ce projet
- La pompe fournie suffisamment de puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins
simultaneacutement
- Les pertes volumeacutetriques dans le circuit sont consideacutereacutees comme eacutetant neacutegligeables
- La pompe se deacutecharge par une valve de mise agrave vide lorsque les veacuterins sont au repos
- Le troisiegraveme distributeur installeacute par Geacuteliko Inc est inutile actuellement
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3 MISE EN ŒUVRE DU MANDAT
31 La recherche de solutions
311 Solution No 1 - Automate programmable
Un automate programmable industriel (API) est un dispositif eacutelectronique qui exerce des
fonctions de controcircle de processus industriels Sa fonction est drsquoenvoyer des commandes aux
preacuteactionneurs (ex les valves) agrave partir des donneacutees drsquoentreacutees qui proviennent des diffeacuterents
capteurs LrsquoAPI est composeacutee drsquoune uniteacute de calculs (processeur) drsquoune alimentation ACDC
et de modules qui sont choisis selon les besoins de lrsquoapplication tel que les cartes drsquoentreacutees-
sorties les modules de communication les modules de commande etc LrsquoAPI peut ecirctre relieacutee agrave
une interface homme-machine agrave un pupitre opeacuterateur agrave une interface graphique ou agrave un
ordinateur Les langages de programmation standards de lrsquoAPI sont le Grafcet et le Ladder
Figure 8 API de marque Allen-Bradley
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Tableau 1 Avantages et inconveacutenients drsquoun automate programmable
Avantages Inconveacutenients
Peu encombrant
Temps de reacuteponse rapide
Facile agrave programmer
Consommation eacutelectrique
acceptable
Configurables et extensibles par
modules
Robuste
Dispendieux pour les petites ou
simples applications
Logiciel de programmation non
gratuit
312 Solution No 2 - Microcontrocircleur
Un microcontrocircleur est comme lrsquoAPI un dispositif eacutelectronique programmable qui peut lire des
signaux drsquoentreacutees et envoyer des signaux de commande agrave des peacuteripheacuteriques externes De plus
le microcontrocircleur rassemble dans un circuit inteacutegreacute tous les eacuteleacutements essentiels agrave son bon
fonctionnement soit le processeur la meacutemoire les uniteacutes peacuteripheacuteriques et les interfaces
drsquoentreacutees-sorties Les langages de programmation des microcontrocircleurs sont varieacutes Basic C
C++ Java etc
Figure 9 Microcontrocircleur de marque Arduino
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Tableau 2 Avantages et inconveacutenients drsquoun microcontrocircleur
Avantages Inconveacutenients
Tregraves peu encombrant
Tregraves faible consommation
eacutelectrique
Logiciel de programmation
geacuteneacuteralement gratuit
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Peu drsquoentreacuteessorties
Langages de programmation plus
contraignants que le Ladder et le
Grafcet
Non extensible
Tregraves fragile
Vitesse de fonctionnement plus
faible
313 Solution No 3 - Relais
Avant lrsquoavegravenement de lrsquoautomate programmable dans le deacutebut des anneacutees 1970 les systegravemes
eacutetaient automatiseacutes agrave lrsquoaide de relais Les relais peuvent ecirctre activeacutes et deacutesactiveacutes sans
interrupteur manuel Aujourdrsquohui les relais servent agrave reacuteduire la taille des panneaux de controcircle
des machines ou agrave creacuteer des cycles drsquoautomatismes simples Mais pour les automatismes qui
requiegraverent un grand nombre drsquoentreacutees sorties on doit remplacer le systegraveme de relayage
devenant trop complexe par un automate programmable
Figure 10 Relais meacutecanique
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Tableau 3 Avantages et inconveacutenients drsquoun relais
Avantages Inconveacutenients
Pas de programmation requise
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Tregraves encombrant
Solution non ideacuteale pour creacuteer des
cycles drsquoautomatismes complexes
Technologie vieillissante
32 Eacutelaboration du baregraveme
Le baregraveme est essentiel lors de lrsquoeacutetape de la prise de deacutecision pour accorder le pointage agrave
chaque solution et pour permettre au concepteur de se fixer des prioriteacutes de conception Le
baregraveme est conccedilu en fonction des critegraveres de qualiteacutes rechercheacutees que lrsquoon associe agrave une eacutechelle
de satisfaction avec une pondeacuteration de 1 agrave 4
Tableau 4 Baregraveme
Critegraveres Objectif 1 2 3 4 Simpliciteacute La programmation
etou lrsquoinstallation de la solution doivent ecirctre faciles
Tregraves difficile Difficile Facile Tregraves facile
Compatibiliteacute Lrsquouniteacute doit ecirctre compatible avec les eacutequipements du banc drsquoessai
Pas compatible Peu compatible Compatible Tregraves compatible
Espace Lrsquoespace requis pour installer lrsquouniteacute est limiteacute
Volume imposant Volume eacuteleveacute Volume moyen Volume neacutegligeable
Fiabiliteacute Durabiliteacute
Lrsquouniteacute doit ecirctre fiable et durable
Tregraves faible Moyennement faible
Moyennement eacuteleveacute
Eacuteleveacute
Coucirct Les contraintes budgeacutetaires doivent ecirctre respecteacutees
Tregraves dispendieux Dispendieux Abordable Tregraves abordable
Efficaciteacute eacutenergeacutetique
La consommation eacutelectrique doit diminuer
Consommation eacuteleveacutee
Consommation normale
Consommation faible
Consommation tregraves faible
Seacutecuriteacute Les risques drsquoaccident de travail doivent diminuer
Tregraves risqueacute Risqueacute Peu risqueacute Aucun risque
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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33 Matrice de deacutecision Le tableau suivant preacutesente la matrice de deacutecision Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation de chacune des
solutions on a attribueacute agrave chaque critegravere une note situeacutee en 1 et 4 Les notes des critegraveres sont
multiplieacutees par leurs pondeacuterations respectives ils sont ensuite additionneacutes puis enfin diviser par
4 pour obtenir la note en pourcentage de chaque solution Selon les scores obtenus crsquoest
lrsquoautomate programmable qui est consideacutereacute comme eacutetant la meilleure uniteacute de controcircle
Tableau 5 Matrice de deacutecision
Critegraveres Pondeacuteration Solution 1 2 3
Automate programmable
Microcontrocircleur Relais
Simpliciteacute 30 4 3 1 Compatibiliteacute 20 4 2 1
Espace 5 3 4 1 FiabiliteacuteDurabiliteacute 10 4 2 1
Coucirct 15 2 4 3 Efficaciteacute
eacutenergeacutetique 5 3 4 2
Seacutecuriteacute 15 4 1 1 Reacutesultat 100 90 662 338
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34 La conception de la solution recommandeacutee
341 Eacutetude du systegraveme hydraulique existant
La preacutesente section est une eacutetude plus deacutetailleacutee portant sur les principales composantes dont est
constitueacute le banc drsquoessai actuel Lrsquoeacutetude comporte une analyse de leurs caracteacuteristiques
principales et de leurs modes de fonctionnements On y preacutesente eacutegalement les symboles
graphiques de ces composantes Cette eacutetude est une eacutetape primordiale pour pouvoir bien choisir
les nouveaux eacutequipements et concevoir le circuit hydraulique de la solution finale
3411 Ensemble pompe-moteur-reacuteservoir
Comme dans les tous systegravemes hydrauliques le banc drsquoessai dispose drsquoun ensemble pompe-
moteur-reacuteservoir La pompe transforme lrsquoeacutenergie meacutecanique fournie par le moteur eacutelectrique
rotatif en eacutenergie fluide La pompe deacutemarre degraves qursquoon branche le moteur eacutelectrique agrave la prise de
courant Vous retrouverez ci-dessous les speacutecifications de ces composantes et une photo prise
sur place de lrsquoensemble
Moteur eacutelectrique AC
Figure 11 Repreacutesentation scheacutematique du moteur eacutelectrique AC
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Tableau 6 Speacutecifications du moteur eacutelectrique
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Puissance
(HP)
Voltage
(V)
Vitesse
(RPM)
HY-SPEC MFG03 HYSW850203-1G 1 110220 1800
Pompe
Tableau 7 Speacutecifications de la pompe (supposition5)
Marque Deacutebit max
(GPM)
Pression max
(PSI)
Cylindreacutee
(cm3tr)
Inconnu 18 3200 PSI 4
Reacuteservoir
Figure 12 Repreacutesentation scheacutematique du reacuteservoir
5 Le deacutebit et la pression pouvant ecirctre fournie par la pompe sont des informations qui ont eacuteteacute fournies par
lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai mais qui ne sont pas veacuterifiables
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Tableau 8 Speacutecifications du reacuteservoir
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Volume
(L)
HY-SPEC V120 HYSW880117 12
Figure 13 Photo de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3412 Bloc Manifold (bloc foreacute)
Un bloc manifold est un bloc de meacutetal avec plusieurs canaux inteacutegreacute conccedilu pour la conduite de
fluide dans des espaces confineacutes On retrouve sur le bloc des caviteacutes dans lesquelles on peut
installer diffeacuterentes composantes hydrauliques (valves manomegravetres tuyau etc)
Tableau 9 Speacutecifications du bloc manifold
Marque Numeacutero de
seacuterie
Description Nombre
de
sections
Ports Orifice
de
seacutecuriteacute
Pression
drsquoopeacuteration
maximale
(PSI)
HY-
SPEC
HYSDD03-
P-03-2SS
Type D03
Circuit
parallegravele
3 P amp T = SAE 10
A amp B = SAE 8
GA = SAE 6
T-10A 5000
Figure 14 Photo du bloc manifold
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3413 Veacuterins
Les 2 veacuterins hydrauliques utiliseacutes dans le banc drsquoessai sont des veacuterins agrave mouvement lineacuteaire et agrave
double effet (deux directions de travail) qui convertissent lrsquoeacutenergie fluide en eacutenergie
meacutecanique Chaque veacuterin est composeacute drsquoun tube cylindrique (le cylindre) dans lequel est
inseacutereacutee une piegravece mobile (le corps du piston) qui assure lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre deux chambres La
tige rigide qui est relieacutee au corps du piston sert agrave transmettre lrsquoeffort et le deacuteplacement Les
veacuterins comportent deux orifices (alimentation et refoulement) et la pression peut ecirctre appliqueacutee
de chaque cocircteacute du piston pour entraicircner son deacuteplacement dans un sens ou dans lautre Ce sont
les distributeurs qui permettent drsquointervertir les rocircles des deux orifices pour controcircler la
direction de la tige
Par ailleurs il peut y avoir des fuites volumeacutetriques internes et externes dans les veacuterins et qui
sont indeacutesirables car elles reacuteduisent la dureacutee de vie et le rendement des veacuterins La fuite interne
est en fait un eacutecoulement de lrsquohuile de la chambre agrave haute pression vers la chambre agrave basse
pression qui est due au jeu entre le corps du piston et la paroi interne du cylindre Il peut
eacutegalement y avoir une fuite externe due au jeu entre la tige du piston et la tecircte du cylindre Pour
reacuteduire ces fuites on installe des joints drsquoeacutetancheacuteiteacutes sur le corps du piston et sur la tecircte du
cylindre
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees)
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Leacutegende
1 Cylindre 5 Chambre de refoulement
2 Piston A Orifice drsquoadmission
3 Tige R Orifice de refoulement
4 Chambre drsquoadmission
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin
La principale caracteacuteristique des veacuterins est lrsquoaire effective sur laquelle le fluide exerce une
pression Les aires effectives du corps du piston (cocircteacute fond du veacuterin et cocircteacute tecircte du veacuterin) sont
diffeacuterentes agrave cause de la preacutesence de la tige sur une seule face du corps du piston Par
conseacutequent pour des mecircmes pressions drsquoadmission la force de contraction est plus faible que
la force drsquoextension Les eacutequations ci-dessous servent agrave convertir les forces (lb) en pression
(psi) selon le sens drsquoapplication du veacuterin
Calcul pour la conversion force-pression
Diamegravetre du piston6 25 po
Diamegravetre de la tige 15 po
lowast egrave
4lowast 25po
449087
lowast egrave
4lowast 15po
417671
ocirc eacute ecirc eacute
ocirc eacute eacute
6 Bore est le terme eacutequivalent du corps du piston
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins
Marque Numeacutero de seacuterie Type drsquoorifices Poids
(livres)
Pression
maximale
(pouce)
HY-SPEC HYS 25FEM24-NW SAE-8 40 3000 PSI
3414 Manomegravetre
Actuellement les pressions exerceacutees dans le bloc manifold et dans chaque chambre des veacuterins
sont mesureacutees agrave lrsquoaide de manomegravetre agrave glyceacuterine
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine
Marque Numeacutero de seacuterie Localisation Diamegravetre
(pouce)
Connexion Eacutechelle du
cadran
(PSI)
HY-
SPEC
HYSG22LXB3000PSI-
14NPT
Bloc
manifold
25
frac14 NPT
0 agrave 3000
HY-
SPEC
HYSG22LXB5000PSI-
14NPT
2 par veacuterin 0 agrave 5000
G
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3415 Les distributeurs
Dans le systegraveme hydraulique les distributeurs (valves de distribution) sont les composantes
actives (modulateurs) qui permettent la distribution du flux drsquoeacutenergie vers les 2 veacuterins
(reacutecepteurs) pour les libeacuterer les arrecircter ou les reacutetracter Sur les trois distributeurs installeacutes sur le
banc drsquoessai seuls 2 drsquoentre eux sont utiliseacutes Le troisiegraveme distributeur a eacuteteacute installeacute au cas ougrave
un troisiegraveme veacuterin serait neacutecessaire pour reacutealiser des tests futurs drsquoapregraves lrsquoopeacuterateur du banc
drsquoessai Il srsquoagit de distributeurs agrave tiroir (de type coulissant) agrave quatre orifices et agrave trois positions
agrave action piloteacutee agrave commande eacutelectrique par soleacutenoiumldes et agrave centrage par ressort de rappel
En alimentant lrsquoun des deux soleacutenoiumldes avec un courant eacutelectrique le tiroir du distributeur se
deacuteplace et lrsquohuile circule par des canaux internes de la valve vers lrsquoune des extreacutemiteacutes du tiroir
principal pendant que lrsquoautre extreacutemiteacute de ce tiroir est raccordeacutee au reacuteservoir du systegraveme par
lrsquoaction du distributeur pilote La pression qui srsquoexerce sur la face du tiroir principal engendre
une force qui pousse ce dernier et le maintien en position agrave voies parallegraveles ou en position agrave
voies croiseacutees En alternant entre la position agrave voies parallegraveles et la position agrave voies croiseacutees le
sens de lrsquoeacutecoulement du fluide dans le veacuterin change et donc le sens de lrsquoapplication de la force
Par ailleurs lorsque les deux soleacutenoiumldes du distributeur ne sont plus alimenteacutes par un courant
eacutelectrique le tiroir principal revient agrave sa position de repos gracircce agrave la pousseacutee du ressort de
rappel Puisqursquoil srsquoagit de distributeurs agrave centre fermeacute lrsquohuile ne peut alors plus circuler dans
les distributeurs et ecirctre achemineacutee dans les veacuterins
Figure 18 Les trois positions des distributeurs
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Leacutegende
T Orifice du reacuteservoir
P Orifice de la pompe
A amp B Admission et refoulement
1 Tiroir
2 Corps de valve
3 Ressort de rappel
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute
Figure 20 Photos des 3 distributeurs
Marque Numeacutero de seacuterie Tension
(V)
Deacutebit
max
(GPM)
Pression admissible
(PSI)
HY-
SPEC
HYSFW-02-3C2-
B110-Z5L-50
24 DC 9 4750
(Orifice A B P)
2320
(Orifice T)
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La commande des distributeurs
Actuellement lrsquoalimentation des soleacutenoiumldes en courant se fait via deux manettes de controcircle
On retrouve sur ces manettes au total 6 boutons qui permettent lrsquoactivation de chacun des
soleacutenoiumldes Le soleacutenoiumlde demeure alimenteacute tant que lrsquoopeacuterateur exerce une pression sur le
bouton Eacutevidemment ces manettes deviendront inutiles lorsque les soleacutenoiumldes seront alimenteacutes
par lrsquoautomate programmable dans la solution finale
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle
Marque Numeacutero de seacuterie Nombre de boutons
HY-SPEC
HYST90009-3P 2
HYST90012-3P 4
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle
Figure 22 Boicircte de conversion7 entre la manette et le distributeur
7 Aucune speacutecification nrsquoest disponible pour la boicircte de conversion des manettes de controcircle
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3416 Limiteurs de deacutebit
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit
Les limiteurs de deacutebit permettent de controcircler les deacutebits drsquoalimentation des veacuterins et par ce fait
les vitesses de sortie et de rentreacutee des tiges des deux veacuterins Pour y arriver ces valves reacutegulent
le deacutebit du fluide en diminuant la section de lrsquoouverture emprunteacutee par celui-ci Le deacutebit est
proportionnel agrave cette ouverture et agrave la racine carreacutee de la perte de charge Sur le banc drsquoessai on
retrouve 2 eacutetrangleurs reacuteglables agrave pointeau par veacuterin Lrsquoeacutetrangleur agrave pointeau est coupleacute dans le
mecircme corps de la valve avec un clapet de retenue avec ressort8 pour que le deacutebit ne soit limiteacute
que dans un seul sens de lrsquoeacutecoulement
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort
Marque Numeacutero de seacuterie Type
Vickers DGMFN-3-Y-A2W-B2W-41 Port double
8 Il y a ouverture du clapet si la pression drsquoentreacutee est supeacuterieure agrave la somme de la pression de sortie et de la pression du ressort
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
Vinc
342
Parm
press
systegrave
man
(man
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342
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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Dans le cas drsquoun veacuterin ideacuteal on peut eacutecrire
Soit
Ougrave vo = vitesse (ms)
A = aire effective (m2)
Fo = force (N)
212 Composantes de liaison
Dans le systegraveme hydraulique les composantes de liaison sont le fluide lui-mecircme et les diverses
canalisations Lrsquohuile hydraulique (fluide) sert agrave transporter lrsquoeacutenergie fluide mais aussi agrave
lubrifier les piegraveces mobiles des veacuterins Cette huile circule dans les canalisations drsquoune
composante agrave une autre Pour eacuteviter drsquoinfluencer lrsquoefficaciteacute et la fiabiliteacute du systegraveme
hydraulique on doit bien choisir dimensionner et installer les canalisations
213 Composantes passives
Les composantes passives du systegraveme hydraulique sont respectivement le reacuteservoir de la pompe
qui permet le stockage de lrsquohuile et la creacutepine qui est un filtre grossier qui protegravege le fluide
contre les polluants externes
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22 Eacutelaboration des hypothegraveses
Voici toutes les hypothegraveses qui ont eacuteteacute poseacutees dans le cadre de ce projet
- La pompe fournie suffisamment de puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins
simultaneacutement
- Les pertes volumeacutetriques dans le circuit sont consideacutereacutees comme eacutetant neacutegligeables
- La pompe se deacutecharge par une valve de mise agrave vide lorsque les veacuterins sont au repos
- Le troisiegraveme distributeur installeacute par Geacuteliko Inc est inutile actuellement
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3 MISE EN ŒUVRE DU MANDAT
31 La recherche de solutions
311 Solution No 1 - Automate programmable
Un automate programmable industriel (API) est un dispositif eacutelectronique qui exerce des
fonctions de controcircle de processus industriels Sa fonction est drsquoenvoyer des commandes aux
preacuteactionneurs (ex les valves) agrave partir des donneacutees drsquoentreacutees qui proviennent des diffeacuterents
capteurs LrsquoAPI est composeacutee drsquoune uniteacute de calculs (processeur) drsquoune alimentation ACDC
et de modules qui sont choisis selon les besoins de lrsquoapplication tel que les cartes drsquoentreacutees-
sorties les modules de communication les modules de commande etc LrsquoAPI peut ecirctre relieacutee agrave
une interface homme-machine agrave un pupitre opeacuterateur agrave une interface graphique ou agrave un
ordinateur Les langages de programmation standards de lrsquoAPI sont le Grafcet et le Ladder
Figure 8 API de marque Allen-Bradley
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 26
Tableau 1 Avantages et inconveacutenients drsquoun automate programmable
Avantages Inconveacutenients
Peu encombrant
Temps de reacuteponse rapide
Facile agrave programmer
Consommation eacutelectrique
acceptable
Configurables et extensibles par
modules
Robuste
Dispendieux pour les petites ou
simples applications
Logiciel de programmation non
gratuit
312 Solution No 2 - Microcontrocircleur
Un microcontrocircleur est comme lrsquoAPI un dispositif eacutelectronique programmable qui peut lire des
signaux drsquoentreacutees et envoyer des signaux de commande agrave des peacuteripheacuteriques externes De plus
le microcontrocircleur rassemble dans un circuit inteacutegreacute tous les eacuteleacutements essentiels agrave son bon
fonctionnement soit le processeur la meacutemoire les uniteacutes peacuteripheacuteriques et les interfaces
drsquoentreacutees-sorties Les langages de programmation des microcontrocircleurs sont varieacutes Basic C
C++ Java etc
Figure 9 Microcontrocircleur de marque Arduino
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 27
Tableau 2 Avantages et inconveacutenients drsquoun microcontrocircleur
Avantages Inconveacutenients
Tregraves peu encombrant
Tregraves faible consommation
eacutelectrique
Logiciel de programmation
geacuteneacuteralement gratuit
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Peu drsquoentreacuteessorties
Langages de programmation plus
contraignants que le Ladder et le
Grafcet
Non extensible
Tregraves fragile
Vitesse de fonctionnement plus
faible
313 Solution No 3 - Relais
Avant lrsquoavegravenement de lrsquoautomate programmable dans le deacutebut des anneacutees 1970 les systegravemes
eacutetaient automatiseacutes agrave lrsquoaide de relais Les relais peuvent ecirctre activeacutes et deacutesactiveacutes sans
interrupteur manuel Aujourdrsquohui les relais servent agrave reacuteduire la taille des panneaux de controcircle
des machines ou agrave creacuteer des cycles drsquoautomatismes simples Mais pour les automatismes qui
requiegraverent un grand nombre drsquoentreacutees sorties on doit remplacer le systegraveme de relayage
devenant trop complexe par un automate programmable
Figure 10 Relais meacutecanique
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 28
Tableau 3 Avantages et inconveacutenients drsquoun relais
Avantages Inconveacutenients
Pas de programmation requise
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Tregraves encombrant
Solution non ideacuteale pour creacuteer des
cycles drsquoautomatismes complexes
Technologie vieillissante
32 Eacutelaboration du baregraveme
Le baregraveme est essentiel lors de lrsquoeacutetape de la prise de deacutecision pour accorder le pointage agrave
chaque solution et pour permettre au concepteur de se fixer des prioriteacutes de conception Le
baregraveme est conccedilu en fonction des critegraveres de qualiteacutes rechercheacutees que lrsquoon associe agrave une eacutechelle
de satisfaction avec une pondeacuteration de 1 agrave 4
Tableau 4 Baregraveme
Critegraveres Objectif 1 2 3 4 Simpliciteacute La programmation
etou lrsquoinstallation de la solution doivent ecirctre faciles
Tregraves difficile Difficile Facile Tregraves facile
Compatibiliteacute Lrsquouniteacute doit ecirctre compatible avec les eacutequipements du banc drsquoessai
Pas compatible Peu compatible Compatible Tregraves compatible
Espace Lrsquoespace requis pour installer lrsquouniteacute est limiteacute
Volume imposant Volume eacuteleveacute Volume moyen Volume neacutegligeable
Fiabiliteacute Durabiliteacute
Lrsquouniteacute doit ecirctre fiable et durable
Tregraves faible Moyennement faible
Moyennement eacuteleveacute
Eacuteleveacute
Coucirct Les contraintes budgeacutetaires doivent ecirctre respecteacutees
Tregraves dispendieux Dispendieux Abordable Tregraves abordable
Efficaciteacute eacutenergeacutetique
La consommation eacutelectrique doit diminuer
Consommation eacuteleveacutee
Consommation normale
Consommation faible
Consommation tregraves faible
Seacutecuriteacute Les risques drsquoaccident de travail doivent diminuer
Tregraves risqueacute Risqueacute Peu risqueacute Aucun risque
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 29
33 Matrice de deacutecision Le tableau suivant preacutesente la matrice de deacutecision Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation de chacune des
solutions on a attribueacute agrave chaque critegravere une note situeacutee en 1 et 4 Les notes des critegraveres sont
multiplieacutees par leurs pondeacuterations respectives ils sont ensuite additionneacutes puis enfin diviser par
4 pour obtenir la note en pourcentage de chaque solution Selon les scores obtenus crsquoest
lrsquoautomate programmable qui est consideacutereacute comme eacutetant la meilleure uniteacute de controcircle
Tableau 5 Matrice de deacutecision
Critegraveres Pondeacuteration Solution 1 2 3
Automate programmable
Microcontrocircleur Relais
Simpliciteacute 30 4 3 1 Compatibiliteacute 20 4 2 1
Espace 5 3 4 1 FiabiliteacuteDurabiliteacute 10 4 2 1
Coucirct 15 2 4 3 Efficaciteacute
eacutenergeacutetique 5 3 4 2
Seacutecuriteacute 15 4 1 1 Reacutesultat 100 90 662 338
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 30
34 La conception de la solution recommandeacutee
341 Eacutetude du systegraveme hydraulique existant
La preacutesente section est une eacutetude plus deacutetailleacutee portant sur les principales composantes dont est
constitueacute le banc drsquoessai actuel Lrsquoeacutetude comporte une analyse de leurs caracteacuteristiques
principales et de leurs modes de fonctionnements On y preacutesente eacutegalement les symboles
graphiques de ces composantes Cette eacutetude est une eacutetape primordiale pour pouvoir bien choisir
les nouveaux eacutequipements et concevoir le circuit hydraulique de la solution finale
3411 Ensemble pompe-moteur-reacuteservoir
Comme dans les tous systegravemes hydrauliques le banc drsquoessai dispose drsquoun ensemble pompe-
moteur-reacuteservoir La pompe transforme lrsquoeacutenergie meacutecanique fournie par le moteur eacutelectrique
rotatif en eacutenergie fluide La pompe deacutemarre degraves qursquoon branche le moteur eacutelectrique agrave la prise de
courant Vous retrouverez ci-dessous les speacutecifications de ces composantes et une photo prise
sur place de lrsquoensemble
Moteur eacutelectrique AC
Figure 11 Repreacutesentation scheacutematique du moteur eacutelectrique AC
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 31
Tableau 6 Speacutecifications du moteur eacutelectrique
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Puissance
(HP)
Voltage
(V)
Vitesse
(RPM)
HY-SPEC MFG03 HYSW850203-1G 1 110220 1800
Pompe
Tableau 7 Speacutecifications de la pompe (supposition5)
Marque Deacutebit max
(GPM)
Pression max
(PSI)
Cylindreacutee
(cm3tr)
Inconnu 18 3200 PSI 4
Reacuteservoir
Figure 12 Repreacutesentation scheacutematique du reacuteservoir
5 Le deacutebit et la pression pouvant ecirctre fournie par la pompe sont des informations qui ont eacuteteacute fournies par
lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai mais qui ne sont pas veacuterifiables
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 32
Tableau 8 Speacutecifications du reacuteservoir
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Volume
(L)
HY-SPEC V120 HYSW880117 12
Figure 13 Photo de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3412 Bloc Manifold (bloc foreacute)
Un bloc manifold est un bloc de meacutetal avec plusieurs canaux inteacutegreacute conccedilu pour la conduite de
fluide dans des espaces confineacutes On retrouve sur le bloc des caviteacutes dans lesquelles on peut
installer diffeacuterentes composantes hydrauliques (valves manomegravetres tuyau etc)
Tableau 9 Speacutecifications du bloc manifold
Marque Numeacutero de
seacuterie
Description Nombre
de
sections
Ports Orifice
de
seacutecuriteacute
Pression
drsquoopeacuteration
maximale
(PSI)
HY-
SPEC
HYSDD03-
P-03-2SS
Type D03
Circuit
parallegravele
3 P amp T = SAE 10
A amp B = SAE 8
GA = SAE 6
T-10A 5000
Figure 14 Photo du bloc manifold
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 34
3413 Veacuterins
Les 2 veacuterins hydrauliques utiliseacutes dans le banc drsquoessai sont des veacuterins agrave mouvement lineacuteaire et agrave
double effet (deux directions de travail) qui convertissent lrsquoeacutenergie fluide en eacutenergie
meacutecanique Chaque veacuterin est composeacute drsquoun tube cylindrique (le cylindre) dans lequel est
inseacutereacutee une piegravece mobile (le corps du piston) qui assure lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre deux chambres La
tige rigide qui est relieacutee au corps du piston sert agrave transmettre lrsquoeffort et le deacuteplacement Les
veacuterins comportent deux orifices (alimentation et refoulement) et la pression peut ecirctre appliqueacutee
de chaque cocircteacute du piston pour entraicircner son deacuteplacement dans un sens ou dans lautre Ce sont
les distributeurs qui permettent drsquointervertir les rocircles des deux orifices pour controcircler la
direction de la tige
Par ailleurs il peut y avoir des fuites volumeacutetriques internes et externes dans les veacuterins et qui
sont indeacutesirables car elles reacuteduisent la dureacutee de vie et le rendement des veacuterins La fuite interne
est en fait un eacutecoulement de lrsquohuile de la chambre agrave haute pression vers la chambre agrave basse
pression qui est due au jeu entre le corps du piston et la paroi interne du cylindre Il peut
eacutegalement y avoir une fuite externe due au jeu entre la tige du piston et la tecircte du cylindre Pour
reacuteduire ces fuites on installe des joints drsquoeacutetancheacuteiteacutes sur le corps du piston et sur la tecircte du
cylindre
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees)
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 35
Leacutegende
1 Cylindre 5 Chambre de refoulement
2 Piston A Orifice drsquoadmission
3 Tige R Orifice de refoulement
4 Chambre drsquoadmission
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin
La principale caracteacuteristique des veacuterins est lrsquoaire effective sur laquelle le fluide exerce une
pression Les aires effectives du corps du piston (cocircteacute fond du veacuterin et cocircteacute tecircte du veacuterin) sont
diffeacuterentes agrave cause de la preacutesence de la tige sur une seule face du corps du piston Par
conseacutequent pour des mecircmes pressions drsquoadmission la force de contraction est plus faible que
la force drsquoextension Les eacutequations ci-dessous servent agrave convertir les forces (lb) en pression
(psi) selon le sens drsquoapplication du veacuterin
Calcul pour la conversion force-pression
Diamegravetre du piston6 25 po
Diamegravetre de la tige 15 po
lowast egrave
4lowast 25po
449087
lowast egrave
4lowast 15po
417671
ocirc eacute ecirc eacute
ocirc eacute eacute
6 Bore est le terme eacutequivalent du corps du piston
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 36
Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins
Marque Numeacutero de seacuterie Type drsquoorifices Poids
(livres)
Pression
maximale
(pouce)
HY-SPEC HYS 25FEM24-NW SAE-8 40 3000 PSI
3414 Manomegravetre
Actuellement les pressions exerceacutees dans le bloc manifold et dans chaque chambre des veacuterins
sont mesureacutees agrave lrsquoaide de manomegravetre agrave glyceacuterine
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine
Marque Numeacutero de seacuterie Localisation Diamegravetre
(pouce)
Connexion Eacutechelle du
cadran
(PSI)
HY-
SPEC
HYSG22LXB3000PSI-
14NPT
Bloc
manifold
25
frac14 NPT
0 agrave 3000
HY-
SPEC
HYSG22LXB5000PSI-
14NPT
2 par veacuterin 0 agrave 5000
G
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 37
3415 Les distributeurs
Dans le systegraveme hydraulique les distributeurs (valves de distribution) sont les composantes
actives (modulateurs) qui permettent la distribution du flux drsquoeacutenergie vers les 2 veacuterins
(reacutecepteurs) pour les libeacuterer les arrecircter ou les reacutetracter Sur les trois distributeurs installeacutes sur le
banc drsquoessai seuls 2 drsquoentre eux sont utiliseacutes Le troisiegraveme distributeur a eacuteteacute installeacute au cas ougrave
un troisiegraveme veacuterin serait neacutecessaire pour reacutealiser des tests futurs drsquoapregraves lrsquoopeacuterateur du banc
drsquoessai Il srsquoagit de distributeurs agrave tiroir (de type coulissant) agrave quatre orifices et agrave trois positions
agrave action piloteacutee agrave commande eacutelectrique par soleacutenoiumldes et agrave centrage par ressort de rappel
En alimentant lrsquoun des deux soleacutenoiumldes avec un courant eacutelectrique le tiroir du distributeur se
deacuteplace et lrsquohuile circule par des canaux internes de la valve vers lrsquoune des extreacutemiteacutes du tiroir
principal pendant que lrsquoautre extreacutemiteacute de ce tiroir est raccordeacutee au reacuteservoir du systegraveme par
lrsquoaction du distributeur pilote La pression qui srsquoexerce sur la face du tiroir principal engendre
une force qui pousse ce dernier et le maintien en position agrave voies parallegraveles ou en position agrave
voies croiseacutees En alternant entre la position agrave voies parallegraveles et la position agrave voies croiseacutees le
sens de lrsquoeacutecoulement du fluide dans le veacuterin change et donc le sens de lrsquoapplication de la force
Par ailleurs lorsque les deux soleacutenoiumldes du distributeur ne sont plus alimenteacutes par un courant
eacutelectrique le tiroir principal revient agrave sa position de repos gracircce agrave la pousseacutee du ressort de
rappel Puisqursquoil srsquoagit de distributeurs agrave centre fermeacute lrsquohuile ne peut alors plus circuler dans
les distributeurs et ecirctre achemineacutee dans les veacuterins
Figure 18 Les trois positions des distributeurs
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Leacutegende
T Orifice du reacuteservoir
P Orifice de la pompe
A amp B Admission et refoulement
1 Tiroir
2 Corps de valve
3 Ressort de rappel
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute
Figure 20 Photos des 3 distributeurs
Marque Numeacutero de seacuterie Tension
(V)
Deacutebit
max
(GPM)
Pression admissible
(PSI)
HY-
SPEC
HYSFW-02-3C2-
B110-Z5L-50
24 DC 9 4750
(Orifice A B P)
2320
(Orifice T)
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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La commande des distributeurs
Actuellement lrsquoalimentation des soleacutenoiumldes en courant se fait via deux manettes de controcircle
On retrouve sur ces manettes au total 6 boutons qui permettent lrsquoactivation de chacun des
soleacutenoiumldes Le soleacutenoiumlde demeure alimenteacute tant que lrsquoopeacuterateur exerce une pression sur le
bouton Eacutevidemment ces manettes deviendront inutiles lorsque les soleacutenoiumldes seront alimenteacutes
par lrsquoautomate programmable dans la solution finale
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle
Marque Numeacutero de seacuterie Nombre de boutons
HY-SPEC
HYST90009-3P 2
HYST90012-3P 4
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle
Figure 22 Boicircte de conversion7 entre la manette et le distributeur
7 Aucune speacutecification nrsquoest disponible pour la boicircte de conversion des manettes de controcircle
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3416 Limiteurs de deacutebit
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit
Les limiteurs de deacutebit permettent de controcircler les deacutebits drsquoalimentation des veacuterins et par ce fait
les vitesses de sortie et de rentreacutee des tiges des deux veacuterins Pour y arriver ces valves reacutegulent
le deacutebit du fluide en diminuant la section de lrsquoouverture emprunteacutee par celui-ci Le deacutebit est
proportionnel agrave cette ouverture et agrave la racine carreacutee de la perte de charge Sur le banc drsquoessai on
retrouve 2 eacutetrangleurs reacuteglables agrave pointeau par veacuterin Lrsquoeacutetrangleur agrave pointeau est coupleacute dans le
mecircme corps de la valve avec un clapet de retenue avec ressort8 pour que le deacutebit ne soit limiteacute
que dans un seul sens de lrsquoeacutecoulement
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort
Marque Numeacutero de seacuterie Type
Vickers DGMFN-3-Y-A2W-B2W-41 Port double
8 Il y a ouverture du clapet si la pression drsquoentreacutee est supeacuterieure agrave la somme de la pression de sortie et de la pression du ressort
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 45
ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 46
deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
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oportionnelle
trique proporti
mande eacutelectr
n ordinaire
ndeacutee par un
ectromagneacutet
iumlde Crsquoest lrsquo
variable au s
euvent fournir ovenant de lrsquoAte EDM-M112
CMVSS
section seu
r proceacuteder agrave
agrave commande
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pression lue
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ent de chois
e
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e eacutelectrique
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en courant de 2menter les 5 lim
47
teurs de
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et agrave des
bloc foreacute
nomegravetres
tibiliteacute et
modegraveles
epose sur
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force de
ortie est
e via un
puisqursquoil
200 mA agrave miteurs de
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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22 Eacutelaboration des hypothegraveses
Voici toutes les hypothegraveses qui ont eacuteteacute poseacutees dans le cadre de ce projet
- La pompe fournie suffisamment de puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins
simultaneacutement
- Les pertes volumeacutetriques dans le circuit sont consideacutereacutees comme eacutetant neacutegligeables
- La pompe se deacutecharge par une valve de mise agrave vide lorsque les veacuterins sont au repos
- Le troisiegraveme distributeur installeacute par Geacuteliko Inc est inutile actuellement
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3 MISE EN ŒUVRE DU MANDAT
31 La recherche de solutions
311 Solution No 1 - Automate programmable
Un automate programmable industriel (API) est un dispositif eacutelectronique qui exerce des
fonctions de controcircle de processus industriels Sa fonction est drsquoenvoyer des commandes aux
preacuteactionneurs (ex les valves) agrave partir des donneacutees drsquoentreacutees qui proviennent des diffeacuterents
capteurs LrsquoAPI est composeacutee drsquoune uniteacute de calculs (processeur) drsquoune alimentation ACDC
et de modules qui sont choisis selon les besoins de lrsquoapplication tel que les cartes drsquoentreacutees-
sorties les modules de communication les modules de commande etc LrsquoAPI peut ecirctre relieacutee agrave
une interface homme-machine agrave un pupitre opeacuterateur agrave une interface graphique ou agrave un
ordinateur Les langages de programmation standards de lrsquoAPI sont le Grafcet et le Ladder
Figure 8 API de marque Allen-Bradley
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Tableau 1 Avantages et inconveacutenients drsquoun automate programmable
Avantages Inconveacutenients
Peu encombrant
Temps de reacuteponse rapide
Facile agrave programmer
Consommation eacutelectrique
acceptable
Configurables et extensibles par
modules
Robuste
Dispendieux pour les petites ou
simples applications
Logiciel de programmation non
gratuit
312 Solution No 2 - Microcontrocircleur
Un microcontrocircleur est comme lrsquoAPI un dispositif eacutelectronique programmable qui peut lire des
signaux drsquoentreacutees et envoyer des signaux de commande agrave des peacuteripheacuteriques externes De plus
le microcontrocircleur rassemble dans un circuit inteacutegreacute tous les eacuteleacutements essentiels agrave son bon
fonctionnement soit le processeur la meacutemoire les uniteacutes peacuteripheacuteriques et les interfaces
drsquoentreacutees-sorties Les langages de programmation des microcontrocircleurs sont varieacutes Basic C
C++ Java etc
Figure 9 Microcontrocircleur de marque Arduino
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Tableau 2 Avantages et inconveacutenients drsquoun microcontrocircleur
Avantages Inconveacutenients
Tregraves peu encombrant
Tregraves faible consommation
eacutelectrique
Logiciel de programmation
geacuteneacuteralement gratuit
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Peu drsquoentreacuteessorties
Langages de programmation plus
contraignants que le Ladder et le
Grafcet
Non extensible
Tregraves fragile
Vitesse de fonctionnement plus
faible
313 Solution No 3 - Relais
Avant lrsquoavegravenement de lrsquoautomate programmable dans le deacutebut des anneacutees 1970 les systegravemes
eacutetaient automatiseacutes agrave lrsquoaide de relais Les relais peuvent ecirctre activeacutes et deacutesactiveacutes sans
interrupteur manuel Aujourdrsquohui les relais servent agrave reacuteduire la taille des panneaux de controcircle
des machines ou agrave creacuteer des cycles drsquoautomatismes simples Mais pour les automatismes qui
requiegraverent un grand nombre drsquoentreacutees sorties on doit remplacer le systegraveme de relayage
devenant trop complexe par un automate programmable
Figure 10 Relais meacutecanique
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Tableau 3 Avantages et inconveacutenients drsquoun relais
Avantages Inconveacutenients
Pas de programmation requise
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Tregraves encombrant
Solution non ideacuteale pour creacuteer des
cycles drsquoautomatismes complexes
Technologie vieillissante
32 Eacutelaboration du baregraveme
Le baregraveme est essentiel lors de lrsquoeacutetape de la prise de deacutecision pour accorder le pointage agrave
chaque solution et pour permettre au concepteur de se fixer des prioriteacutes de conception Le
baregraveme est conccedilu en fonction des critegraveres de qualiteacutes rechercheacutees que lrsquoon associe agrave une eacutechelle
de satisfaction avec une pondeacuteration de 1 agrave 4
Tableau 4 Baregraveme
Critegraveres Objectif 1 2 3 4 Simpliciteacute La programmation
etou lrsquoinstallation de la solution doivent ecirctre faciles
Tregraves difficile Difficile Facile Tregraves facile
Compatibiliteacute Lrsquouniteacute doit ecirctre compatible avec les eacutequipements du banc drsquoessai
Pas compatible Peu compatible Compatible Tregraves compatible
Espace Lrsquoespace requis pour installer lrsquouniteacute est limiteacute
Volume imposant Volume eacuteleveacute Volume moyen Volume neacutegligeable
Fiabiliteacute Durabiliteacute
Lrsquouniteacute doit ecirctre fiable et durable
Tregraves faible Moyennement faible
Moyennement eacuteleveacute
Eacuteleveacute
Coucirct Les contraintes budgeacutetaires doivent ecirctre respecteacutees
Tregraves dispendieux Dispendieux Abordable Tregraves abordable
Efficaciteacute eacutenergeacutetique
La consommation eacutelectrique doit diminuer
Consommation eacuteleveacutee
Consommation normale
Consommation faible
Consommation tregraves faible
Seacutecuriteacute Les risques drsquoaccident de travail doivent diminuer
Tregraves risqueacute Risqueacute Peu risqueacute Aucun risque
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33 Matrice de deacutecision Le tableau suivant preacutesente la matrice de deacutecision Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation de chacune des
solutions on a attribueacute agrave chaque critegravere une note situeacutee en 1 et 4 Les notes des critegraveres sont
multiplieacutees par leurs pondeacuterations respectives ils sont ensuite additionneacutes puis enfin diviser par
4 pour obtenir la note en pourcentage de chaque solution Selon les scores obtenus crsquoest
lrsquoautomate programmable qui est consideacutereacute comme eacutetant la meilleure uniteacute de controcircle
Tableau 5 Matrice de deacutecision
Critegraveres Pondeacuteration Solution 1 2 3
Automate programmable
Microcontrocircleur Relais
Simpliciteacute 30 4 3 1 Compatibiliteacute 20 4 2 1
Espace 5 3 4 1 FiabiliteacuteDurabiliteacute 10 4 2 1
Coucirct 15 2 4 3 Efficaciteacute
eacutenergeacutetique 5 3 4 2
Seacutecuriteacute 15 4 1 1 Reacutesultat 100 90 662 338
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34 La conception de la solution recommandeacutee
341 Eacutetude du systegraveme hydraulique existant
La preacutesente section est une eacutetude plus deacutetailleacutee portant sur les principales composantes dont est
constitueacute le banc drsquoessai actuel Lrsquoeacutetude comporte une analyse de leurs caracteacuteristiques
principales et de leurs modes de fonctionnements On y preacutesente eacutegalement les symboles
graphiques de ces composantes Cette eacutetude est une eacutetape primordiale pour pouvoir bien choisir
les nouveaux eacutequipements et concevoir le circuit hydraulique de la solution finale
3411 Ensemble pompe-moteur-reacuteservoir
Comme dans les tous systegravemes hydrauliques le banc drsquoessai dispose drsquoun ensemble pompe-
moteur-reacuteservoir La pompe transforme lrsquoeacutenergie meacutecanique fournie par le moteur eacutelectrique
rotatif en eacutenergie fluide La pompe deacutemarre degraves qursquoon branche le moteur eacutelectrique agrave la prise de
courant Vous retrouverez ci-dessous les speacutecifications de ces composantes et une photo prise
sur place de lrsquoensemble
Moteur eacutelectrique AC
Figure 11 Repreacutesentation scheacutematique du moteur eacutelectrique AC
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Tableau 6 Speacutecifications du moteur eacutelectrique
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Puissance
(HP)
Voltage
(V)
Vitesse
(RPM)
HY-SPEC MFG03 HYSW850203-1G 1 110220 1800
Pompe
Tableau 7 Speacutecifications de la pompe (supposition5)
Marque Deacutebit max
(GPM)
Pression max
(PSI)
Cylindreacutee
(cm3tr)
Inconnu 18 3200 PSI 4
Reacuteservoir
Figure 12 Repreacutesentation scheacutematique du reacuteservoir
5 Le deacutebit et la pression pouvant ecirctre fournie par la pompe sont des informations qui ont eacuteteacute fournies par
lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai mais qui ne sont pas veacuterifiables
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Tableau 8 Speacutecifications du reacuteservoir
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Volume
(L)
HY-SPEC V120 HYSW880117 12
Figure 13 Photo de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir
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3412 Bloc Manifold (bloc foreacute)
Un bloc manifold est un bloc de meacutetal avec plusieurs canaux inteacutegreacute conccedilu pour la conduite de
fluide dans des espaces confineacutes On retrouve sur le bloc des caviteacutes dans lesquelles on peut
installer diffeacuterentes composantes hydrauliques (valves manomegravetres tuyau etc)
Tableau 9 Speacutecifications du bloc manifold
Marque Numeacutero de
seacuterie
Description Nombre
de
sections
Ports Orifice
de
seacutecuriteacute
Pression
drsquoopeacuteration
maximale
(PSI)
HY-
SPEC
HYSDD03-
P-03-2SS
Type D03
Circuit
parallegravele
3 P amp T = SAE 10
A amp B = SAE 8
GA = SAE 6
T-10A 5000
Figure 14 Photo du bloc manifold
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3413 Veacuterins
Les 2 veacuterins hydrauliques utiliseacutes dans le banc drsquoessai sont des veacuterins agrave mouvement lineacuteaire et agrave
double effet (deux directions de travail) qui convertissent lrsquoeacutenergie fluide en eacutenergie
meacutecanique Chaque veacuterin est composeacute drsquoun tube cylindrique (le cylindre) dans lequel est
inseacutereacutee une piegravece mobile (le corps du piston) qui assure lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre deux chambres La
tige rigide qui est relieacutee au corps du piston sert agrave transmettre lrsquoeffort et le deacuteplacement Les
veacuterins comportent deux orifices (alimentation et refoulement) et la pression peut ecirctre appliqueacutee
de chaque cocircteacute du piston pour entraicircner son deacuteplacement dans un sens ou dans lautre Ce sont
les distributeurs qui permettent drsquointervertir les rocircles des deux orifices pour controcircler la
direction de la tige
Par ailleurs il peut y avoir des fuites volumeacutetriques internes et externes dans les veacuterins et qui
sont indeacutesirables car elles reacuteduisent la dureacutee de vie et le rendement des veacuterins La fuite interne
est en fait un eacutecoulement de lrsquohuile de la chambre agrave haute pression vers la chambre agrave basse
pression qui est due au jeu entre le corps du piston et la paroi interne du cylindre Il peut
eacutegalement y avoir une fuite externe due au jeu entre la tige du piston et la tecircte du cylindre Pour
reacuteduire ces fuites on installe des joints drsquoeacutetancheacuteiteacutes sur le corps du piston et sur la tecircte du
cylindre
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees)
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Leacutegende
1 Cylindre 5 Chambre de refoulement
2 Piston A Orifice drsquoadmission
3 Tige R Orifice de refoulement
4 Chambre drsquoadmission
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin
La principale caracteacuteristique des veacuterins est lrsquoaire effective sur laquelle le fluide exerce une
pression Les aires effectives du corps du piston (cocircteacute fond du veacuterin et cocircteacute tecircte du veacuterin) sont
diffeacuterentes agrave cause de la preacutesence de la tige sur une seule face du corps du piston Par
conseacutequent pour des mecircmes pressions drsquoadmission la force de contraction est plus faible que
la force drsquoextension Les eacutequations ci-dessous servent agrave convertir les forces (lb) en pression
(psi) selon le sens drsquoapplication du veacuterin
Calcul pour la conversion force-pression
Diamegravetre du piston6 25 po
Diamegravetre de la tige 15 po
lowast egrave
4lowast 25po
449087
lowast egrave
4lowast 15po
417671
ocirc eacute ecirc eacute
ocirc eacute eacute
6 Bore est le terme eacutequivalent du corps du piston
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Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins
Marque Numeacutero de seacuterie Type drsquoorifices Poids
(livres)
Pression
maximale
(pouce)
HY-SPEC HYS 25FEM24-NW SAE-8 40 3000 PSI
3414 Manomegravetre
Actuellement les pressions exerceacutees dans le bloc manifold et dans chaque chambre des veacuterins
sont mesureacutees agrave lrsquoaide de manomegravetre agrave glyceacuterine
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine
Marque Numeacutero de seacuterie Localisation Diamegravetre
(pouce)
Connexion Eacutechelle du
cadran
(PSI)
HY-
SPEC
HYSG22LXB3000PSI-
14NPT
Bloc
manifold
25
frac14 NPT
0 agrave 3000
HY-
SPEC
HYSG22LXB5000PSI-
14NPT
2 par veacuterin 0 agrave 5000
G
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold
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3415 Les distributeurs
Dans le systegraveme hydraulique les distributeurs (valves de distribution) sont les composantes
actives (modulateurs) qui permettent la distribution du flux drsquoeacutenergie vers les 2 veacuterins
(reacutecepteurs) pour les libeacuterer les arrecircter ou les reacutetracter Sur les trois distributeurs installeacutes sur le
banc drsquoessai seuls 2 drsquoentre eux sont utiliseacutes Le troisiegraveme distributeur a eacuteteacute installeacute au cas ougrave
un troisiegraveme veacuterin serait neacutecessaire pour reacutealiser des tests futurs drsquoapregraves lrsquoopeacuterateur du banc
drsquoessai Il srsquoagit de distributeurs agrave tiroir (de type coulissant) agrave quatre orifices et agrave trois positions
agrave action piloteacutee agrave commande eacutelectrique par soleacutenoiumldes et agrave centrage par ressort de rappel
En alimentant lrsquoun des deux soleacutenoiumldes avec un courant eacutelectrique le tiroir du distributeur se
deacuteplace et lrsquohuile circule par des canaux internes de la valve vers lrsquoune des extreacutemiteacutes du tiroir
principal pendant que lrsquoautre extreacutemiteacute de ce tiroir est raccordeacutee au reacuteservoir du systegraveme par
lrsquoaction du distributeur pilote La pression qui srsquoexerce sur la face du tiroir principal engendre
une force qui pousse ce dernier et le maintien en position agrave voies parallegraveles ou en position agrave
voies croiseacutees En alternant entre la position agrave voies parallegraveles et la position agrave voies croiseacutees le
sens de lrsquoeacutecoulement du fluide dans le veacuterin change et donc le sens de lrsquoapplication de la force
Par ailleurs lorsque les deux soleacutenoiumldes du distributeur ne sont plus alimenteacutes par un courant
eacutelectrique le tiroir principal revient agrave sa position de repos gracircce agrave la pousseacutee du ressort de
rappel Puisqursquoil srsquoagit de distributeurs agrave centre fermeacute lrsquohuile ne peut alors plus circuler dans
les distributeurs et ecirctre achemineacutee dans les veacuterins
Figure 18 Les trois positions des distributeurs
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Leacutegende
T Orifice du reacuteservoir
P Orifice de la pompe
A amp B Admission et refoulement
1 Tiroir
2 Corps de valve
3 Ressort de rappel
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute
Figure 20 Photos des 3 distributeurs
Marque Numeacutero de seacuterie Tension
(V)
Deacutebit
max
(GPM)
Pression admissible
(PSI)
HY-
SPEC
HYSFW-02-3C2-
B110-Z5L-50
24 DC 9 4750
(Orifice A B P)
2320
(Orifice T)
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La commande des distributeurs
Actuellement lrsquoalimentation des soleacutenoiumldes en courant se fait via deux manettes de controcircle
On retrouve sur ces manettes au total 6 boutons qui permettent lrsquoactivation de chacun des
soleacutenoiumldes Le soleacutenoiumlde demeure alimenteacute tant que lrsquoopeacuterateur exerce une pression sur le
bouton Eacutevidemment ces manettes deviendront inutiles lorsque les soleacutenoiumldes seront alimenteacutes
par lrsquoautomate programmable dans la solution finale
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle
Marque Numeacutero de seacuterie Nombre de boutons
HY-SPEC
HYST90009-3P 2
HYST90012-3P 4
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle
Figure 22 Boicircte de conversion7 entre la manette et le distributeur
7 Aucune speacutecification nrsquoest disponible pour la boicircte de conversion des manettes de controcircle
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3416 Limiteurs de deacutebit
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit
Les limiteurs de deacutebit permettent de controcircler les deacutebits drsquoalimentation des veacuterins et par ce fait
les vitesses de sortie et de rentreacutee des tiges des deux veacuterins Pour y arriver ces valves reacutegulent
le deacutebit du fluide en diminuant la section de lrsquoouverture emprunteacutee par celui-ci Le deacutebit est
proportionnel agrave cette ouverture et agrave la racine carreacutee de la perte de charge Sur le banc drsquoessai on
retrouve 2 eacutetrangleurs reacuteglables agrave pointeau par veacuterin Lrsquoeacutetrangleur agrave pointeau est coupleacute dans le
mecircme corps de la valve avec un clapet de retenue avec ressort8 pour que le deacutebit ne soit limiteacute
que dans un seul sens de lrsquoeacutecoulement
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort
Marque Numeacutero de seacuterie Type
Vickers DGMFN-3-Y-A2W-B2W-41 Port double
8 Il y a ouverture du clapet si la pression drsquoentreacutee est supeacuterieure agrave la somme de la pression de sortie et de la pression du ressort
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
Vinc
342
Parm
press
systegrave
man
(man
digit
drsquoen
eacutequi
342
Le f
le m
un s
rapp
prop
amp
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 57
CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 58
RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 59
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 60
ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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3 MISE EN ŒUVRE DU MANDAT
31 La recherche de solutions
311 Solution No 1 - Automate programmable
Un automate programmable industriel (API) est un dispositif eacutelectronique qui exerce des
fonctions de controcircle de processus industriels Sa fonction est drsquoenvoyer des commandes aux
preacuteactionneurs (ex les valves) agrave partir des donneacutees drsquoentreacutees qui proviennent des diffeacuterents
capteurs LrsquoAPI est composeacutee drsquoune uniteacute de calculs (processeur) drsquoune alimentation ACDC
et de modules qui sont choisis selon les besoins de lrsquoapplication tel que les cartes drsquoentreacutees-
sorties les modules de communication les modules de commande etc LrsquoAPI peut ecirctre relieacutee agrave
une interface homme-machine agrave un pupitre opeacuterateur agrave une interface graphique ou agrave un
ordinateur Les langages de programmation standards de lrsquoAPI sont le Grafcet et le Ladder
Figure 8 API de marque Allen-Bradley
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Tableau 1 Avantages et inconveacutenients drsquoun automate programmable
Avantages Inconveacutenients
Peu encombrant
Temps de reacuteponse rapide
Facile agrave programmer
Consommation eacutelectrique
acceptable
Configurables et extensibles par
modules
Robuste
Dispendieux pour les petites ou
simples applications
Logiciel de programmation non
gratuit
312 Solution No 2 - Microcontrocircleur
Un microcontrocircleur est comme lrsquoAPI un dispositif eacutelectronique programmable qui peut lire des
signaux drsquoentreacutees et envoyer des signaux de commande agrave des peacuteripheacuteriques externes De plus
le microcontrocircleur rassemble dans un circuit inteacutegreacute tous les eacuteleacutements essentiels agrave son bon
fonctionnement soit le processeur la meacutemoire les uniteacutes peacuteripheacuteriques et les interfaces
drsquoentreacutees-sorties Les langages de programmation des microcontrocircleurs sont varieacutes Basic C
C++ Java etc
Figure 9 Microcontrocircleur de marque Arduino
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Tableau 2 Avantages et inconveacutenients drsquoun microcontrocircleur
Avantages Inconveacutenients
Tregraves peu encombrant
Tregraves faible consommation
eacutelectrique
Logiciel de programmation
geacuteneacuteralement gratuit
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Peu drsquoentreacuteessorties
Langages de programmation plus
contraignants que le Ladder et le
Grafcet
Non extensible
Tregraves fragile
Vitesse de fonctionnement plus
faible
313 Solution No 3 - Relais
Avant lrsquoavegravenement de lrsquoautomate programmable dans le deacutebut des anneacutees 1970 les systegravemes
eacutetaient automatiseacutes agrave lrsquoaide de relais Les relais peuvent ecirctre activeacutes et deacutesactiveacutes sans
interrupteur manuel Aujourdrsquohui les relais servent agrave reacuteduire la taille des panneaux de controcircle
des machines ou agrave creacuteer des cycles drsquoautomatismes simples Mais pour les automatismes qui
requiegraverent un grand nombre drsquoentreacutees sorties on doit remplacer le systegraveme de relayage
devenant trop complexe par un automate programmable
Figure 10 Relais meacutecanique
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Tableau 3 Avantages et inconveacutenients drsquoun relais
Avantages Inconveacutenients
Pas de programmation requise
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Tregraves encombrant
Solution non ideacuteale pour creacuteer des
cycles drsquoautomatismes complexes
Technologie vieillissante
32 Eacutelaboration du baregraveme
Le baregraveme est essentiel lors de lrsquoeacutetape de la prise de deacutecision pour accorder le pointage agrave
chaque solution et pour permettre au concepteur de se fixer des prioriteacutes de conception Le
baregraveme est conccedilu en fonction des critegraveres de qualiteacutes rechercheacutees que lrsquoon associe agrave une eacutechelle
de satisfaction avec une pondeacuteration de 1 agrave 4
Tableau 4 Baregraveme
Critegraveres Objectif 1 2 3 4 Simpliciteacute La programmation
etou lrsquoinstallation de la solution doivent ecirctre faciles
Tregraves difficile Difficile Facile Tregraves facile
Compatibiliteacute Lrsquouniteacute doit ecirctre compatible avec les eacutequipements du banc drsquoessai
Pas compatible Peu compatible Compatible Tregraves compatible
Espace Lrsquoespace requis pour installer lrsquouniteacute est limiteacute
Volume imposant Volume eacuteleveacute Volume moyen Volume neacutegligeable
Fiabiliteacute Durabiliteacute
Lrsquouniteacute doit ecirctre fiable et durable
Tregraves faible Moyennement faible
Moyennement eacuteleveacute
Eacuteleveacute
Coucirct Les contraintes budgeacutetaires doivent ecirctre respecteacutees
Tregraves dispendieux Dispendieux Abordable Tregraves abordable
Efficaciteacute eacutenergeacutetique
La consommation eacutelectrique doit diminuer
Consommation eacuteleveacutee
Consommation normale
Consommation faible
Consommation tregraves faible
Seacutecuriteacute Les risques drsquoaccident de travail doivent diminuer
Tregraves risqueacute Risqueacute Peu risqueacute Aucun risque
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33 Matrice de deacutecision Le tableau suivant preacutesente la matrice de deacutecision Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation de chacune des
solutions on a attribueacute agrave chaque critegravere une note situeacutee en 1 et 4 Les notes des critegraveres sont
multiplieacutees par leurs pondeacuterations respectives ils sont ensuite additionneacutes puis enfin diviser par
4 pour obtenir la note en pourcentage de chaque solution Selon les scores obtenus crsquoest
lrsquoautomate programmable qui est consideacutereacute comme eacutetant la meilleure uniteacute de controcircle
Tableau 5 Matrice de deacutecision
Critegraveres Pondeacuteration Solution 1 2 3
Automate programmable
Microcontrocircleur Relais
Simpliciteacute 30 4 3 1 Compatibiliteacute 20 4 2 1
Espace 5 3 4 1 FiabiliteacuteDurabiliteacute 10 4 2 1
Coucirct 15 2 4 3 Efficaciteacute
eacutenergeacutetique 5 3 4 2
Seacutecuriteacute 15 4 1 1 Reacutesultat 100 90 662 338
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34 La conception de la solution recommandeacutee
341 Eacutetude du systegraveme hydraulique existant
La preacutesente section est une eacutetude plus deacutetailleacutee portant sur les principales composantes dont est
constitueacute le banc drsquoessai actuel Lrsquoeacutetude comporte une analyse de leurs caracteacuteristiques
principales et de leurs modes de fonctionnements On y preacutesente eacutegalement les symboles
graphiques de ces composantes Cette eacutetude est une eacutetape primordiale pour pouvoir bien choisir
les nouveaux eacutequipements et concevoir le circuit hydraulique de la solution finale
3411 Ensemble pompe-moteur-reacuteservoir
Comme dans les tous systegravemes hydrauliques le banc drsquoessai dispose drsquoun ensemble pompe-
moteur-reacuteservoir La pompe transforme lrsquoeacutenergie meacutecanique fournie par le moteur eacutelectrique
rotatif en eacutenergie fluide La pompe deacutemarre degraves qursquoon branche le moteur eacutelectrique agrave la prise de
courant Vous retrouverez ci-dessous les speacutecifications de ces composantes et une photo prise
sur place de lrsquoensemble
Moteur eacutelectrique AC
Figure 11 Repreacutesentation scheacutematique du moteur eacutelectrique AC
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Tableau 6 Speacutecifications du moteur eacutelectrique
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Puissance
(HP)
Voltage
(V)
Vitesse
(RPM)
HY-SPEC MFG03 HYSW850203-1G 1 110220 1800
Pompe
Tableau 7 Speacutecifications de la pompe (supposition5)
Marque Deacutebit max
(GPM)
Pression max
(PSI)
Cylindreacutee
(cm3tr)
Inconnu 18 3200 PSI 4
Reacuteservoir
Figure 12 Repreacutesentation scheacutematique du reacuteservoir
5 Le deacutebit et la pression pouvant ecirctre fournie par la pompe sont des informations qui ont eacuteteacute fournies par
lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai mais qui ne sont pas veacuterifiables
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Tableau 8 Speacutecifications du reacuteservoir
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Volume
(L)
HY-SPEC V120 HYSW880117 12
Figure 13 Photo de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir
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3412 Bloc Manifold (bloc foreacute)
Un bloc manifold est un bloc de meacutetal avec plusieurs canaux inteacutegreacute conccedilu pour la conduite de
fluide dans des espaces confineacutes On retrouve sur le bloc des caviteacutes dans lesquelles on peut
installer diffeacuterentes composantes hydrauliques (valves manomegravetres tuyau etc)
Tableau 9 Speacutecifications du bloc manifold
Marque Numeacutero de
seacuterie
Description Nombre
de
sections
Ports Orifice
de
seacutecuriteacute
Pression
drsquoopeacuteration
maximale
(PSI)
HY-
SPEC
HYSDD03-
P-03-2SS
Type D03
Circuit
parallegravele
3 P amp T = SAE 10
A amp B = SAE 8
GA = SAE 6
T-10A 5000
Figure 14 Photo du bloc manifold
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3413 Veacuterins
Les 2 veacuterins hydrauliques utiliseacutes dans le banc drsquoessai sont des veacuterins agrave mouvement lineacuteaire et agrave
double effet (deux directions de travail) qui convertissent lrsquoeacutenergie fluide en eacutenergie
meacutecanique Chaque veacuterin est composeacute drsquoun tube cylindrique (le cylindre) dans lequel est
inseacutereacutee une piegravece mobile (le corps du piston) qui assure lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre deux chambres La
tige rigide qui est relieacutee au corps du piston sert agrave transmettre lrsquoeffort et le deacuteplacement Les
veacuterins comportent deux orifices (alimentation et refoulement) et la pression peut ecirctre appliqueacutee
de chaque cocircteacute du piston pour entraicircner son deacuteplacement dans un sens ou dans lautre Ce sont
les distributeurs qui permettent drsquointervertir les rocircles des deux orifices pour controcircler la
direction de la tige
Par ailleurs il peut y avoir des fuites volumeacutetriques internes et externes dans les veacuterins et qui
sont indeacutesirables car elles reacuteduisent la dureacutee de vie et le rendement des veacuterins La fuite interne
est en fait un eacutecoulement de lrsquohuile de la chambre agrave haute pression vers la chambre agrave basse
pression qui est due au jeu entre le corps du piston et la paroi interne du cylindre Il peut
eacutegalement y avoir une fuite externe due au jeu entre la tige du piston et la tecircte du cylindre Pour
reacuteduire ces fuites on installe des joints drsquoeacutetancheacuteiteacutes sur le corps du piston et sur la tecircte du
cylindre
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees)
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Leacutegende
1 Cylindre 5 Chambre de refoulement
2 Piston A Orifice drsquoadmission
3 Tige R Orifice de refoulement
4 Chambre drsquoadmission
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin
La principale caracteacuteristique des veacuterins est lrsquoaire effective sur laquelle le fluide exerce une
pression Les aires effectives du corps du piston (cocircteacute fond du veacuterin et cocircteacute tecircte du veacuterin) sont
diffeacuterentes agrave cause de la preacutesence de la tige sur une seule face du corps du piston Par
conseacutequent pour des mecircmes pressions drsquoadmission la force de contraction est plus faible que
la force drsquoextension Les eacutequations ci-dessous servent agrave convertir les forces (lb) en pression
(psi) selon le sens drsquoapplication du veacuterin
Calcul pour la conversion force-pression
Diamegravetre du piston6 25 po
Diamegravetre de la tige 15 po
lowast egrave
4lowast 25po
449087
lowast egrave
4lowast 15po
417671
ocirc eacute ecirc eacute
ocirc eacute eacute
6 Bore est le terme eacutequivalent du corps du piston
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Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins
Marque Numeacutero de seacuterie Type drsquoorifices Poids
(livres)
Pression
maximale
(pouce)
HY-SPEC HYS 25FEM24-NW SAE-8 40 3000 PSI
3414 Manomegravetre
Actuellement les pressions exerceacutees dans le bloc manifold et dans chaque chambre des veacuterins
sont mesureacutees agrave lrsquoaide de manomegravetre agrave glyceacuterine
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine
Marque Numeacutero de seacuterie Localisation Diamegravetre
(pouce)
Connexion Eacutechelle du
cadran
(PSI)
HY-
SPEC
HYSG22LXB3000PSI-
14NPT
Bloc
manifold
25
frac14 NPT
0 agrave 3000
HY-
SPEC
HYSG22LXB5000PSI-
14NPT
2 par veacuterin 0 agrave 5000
G
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold
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3415 Les distributeurs
Dans le systegraveme hydraulique les distributeurs (valves de distribution) sont les composantes
actives (modulateurs) qui permettent la distribution du flux drsquoeacutenergie vers les 2 veacuterins
(reacutecepteurs) pour les libeacuterer les arrecircter ou les reacutetracter Sur les trois distributeurs installeacutes sur le
banc drsquoessai seuls 2 drsquoentre eux sont utiliseacutes Le troisiegraveme distributeur a eacuteteacute installeacute au cas ougrave
un troisiegraveme veacuterin serait neacutecessaire pour reacutealiser des tests futurs drsquoapregraves lrsquoopeacuterateur du banc
drsquoessai Il srsquoagit de distributeurs agrave tiroir (de type coulissant) agrave quatre orifices et agrave trois positions
agrave action piloteacutee agrave commande eacutelectrique par soleacutenoiumldes et agrave centrage par ressort de rappel
En alimentant lrsquoun des deux soleacutenoiumldes avec un courant eacutelectrique le tiroir du distributeur se
deacuteplace et lrsquohuile circule par des canaux internes de la valve vers lrsquoune des extreacutemiteacutes du tiroir
principal pendant que lrsquoautre extreacutemiteacute de ce tiroir est raccordeacutee au reacuteservoir du systegraveme par
lrsquoaction du distributeur pilote La pression qui srsquoexerce sur la face du tiroir principal engendre
une force qui pousse ce dernier et le maintien en position agrave voies parallegraveles ou en position agrave
voies croiseacutees En alternant entre la position agrave voies parallegraveles et la position agrave voies croiseacutees le
sens de lrsquoeacutecoulement du fluide dans le veacuterin change et donc le sens de lrsquoapplication de la force
Par ailleurs lorsque les deux soleacutenoiumldes du distributeur ne sont plus alimenteacutes par un courant
eacutelectrique le tiroir principal revient agrave sa position de repos gracircce agrave la pousseacutee du ressort de
rappel Puisqursquoil srsquoagit de distributeurs agrave centre fermeacute lrsquohuile ne peut alors plus circuler dans
les distributeurs et ecirctre achemineacutee dans les veacuterins
Figure 18 Les trois positions des distributeurs
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Leacutegende
T Orifice du reacuteservoir
P Orifice de la pompe
A amp B Admission et refoulement
1 Tiroir
2 Corps de valve
3 Ressort de rappel
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute
Figure 20 Photos des 3 distributeurs
Marque Numeacutero de seacuterie Tension
(V)
Deacutebit
max
(GPM)
Pression admissible
(PSI)
HY-
SPEC
HYSFW-02-3C2-
B110-Z5L-50
24 DC 9 4750
(Orifice A B P)
2320
(Orifice T)
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La commande des distributeurs
Actuellement lrsquoalimentation des soleacutenoiumldes en courant se fait via deux manettes de controcircle
On retrouve sur ces manettes au total 6 boutons qui permettent lrsquoactivation de chacun des
soleacutenoiumldes Le soleacutenoiumlde demeure alimenteacute tant que lrsquoopeacuterateur exerce une pression sur le
bouton Eacutevidemment ces manettes deviendront inutiles lorsque les soleacutenoiumldes seront alimenteacutes
par lrsquoautomate programmable dans la solution finale
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle
Marque Numeacutero de seacuterie Nombre de boutons
HY-SPEC
HYST90009-3P 2
HYST90012-3P 4
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle
Figure 22 Boicircte de conversion7 entre la manette et le distributeur
7 Aucune speacutecification nrsquoest disponible pour la boicircte de conversion des manettes de controcircle
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3416 Limiteurs de deacutebit
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit
Les limiteurs de deacutebit permettent de controcircler les deacutebits drsquoalimentation des veacuterins et par ce fait
les vitesses de sortie et de rentreacutee des tiges des deux veacuterins Pour y arriver ces valves reacutegulent
le deacutebit du fluide en diminuant la section de lrsquoouverture emprunteacutee par celui-ci Le deacutebit est
proportionnel agrave cette ouverture et agrave la racine carreacutee de la perte de charge Sur le banc drsquoessai on
retrouve 2 eacutetrangleurs reacuteglables agrave pointeau par veacuterin Lrsquoeacutetrangleur agrave pointeau est coupleacute dans le
mecircme corps de la valve avec un clapet de retenue avec ressort8 pour que le deacutebit ne soit limiteacute
que dans un seul sens de lrsquoeacutecoulement
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort
Marque Numeacutero de seacuterie Type
Vickers DGMFN-3-Y-A2W-B2W-41 Port double
8 Il y a ouverture du clapet si la pression drsquoentreacutee est supeacuterieure agrave la somme de la pression de sortie et de la pression du ressort
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 58
RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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VincentWLeliegravevre Hiver2011 59
BIBLIOGRAPHIE
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 60
ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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Tableau 1 Avantages et inconveacutenients drsquoun automate programmable
Avantages Inconveacutenients
Peu encombrant
Temps de reacuteponse rapide
Facile agrave programmer
Consommation eacutelectrique
acceptable
Configurables et extensibles par
modules
Robuste
Dispendieux pour les petites ou
simples applications
Logiciel de programmation non
gratuit
312 Solution No 2 - Microcontrocircleur
Un microcontrocircleur est comme lrsquoAPI un dispositif eacutelectronique programmable qui peut lire des
signaux drsquoentreacutees et envoyer des signaux de commande agrave des peacuteripheacuteriques externes De plus
le microcontrocircleur rassemble dans un circuit inteacutegreacute tous les eacuteleacutements essentiels agrave son bon
fonctionnement soit le processeur la meacutemoire les uniteacutes peacuteripheacuteriques et les interfaces
drsquoentreacutees-sorties Les langages de programmation des microcontrocircleurs sont varieacutes Basic C
C++ Java etc
Figure 9 Microcontrocircleur de marque Arduino
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Tableau 2 Avantages et inconveacutenients drsquoun microcontrocircleur
Avantages Inconveacutenients
Tregraves peu encombrant
Tregraves faible consommation
eacutelectrique
Logiciel de programmation
geacuteneacuteralement gratuit
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Peu drsquoentreacuteessorties
Langages de programmation plus
contraignants que le Ladder et le
Grafcet
Non extensible
Tregraves fragile
Vitesse de fonctionnement plus
faible
313 Solution No 3 - Relais
Avant lrsquoavegravenement de lrsquoautomate programmable dans le deacutebut des anneacutees 1970 les systegravemes
eacutetaient automatiseacutes agrave lrsquoaide de relais Les relais peuvent ecirctre activeacutes et deacutesactiveacutes sans
interrupteur manuel Aujourdrsquohui les relais servent agrave reacuteduire la taille des panneaux de controcircle
des machines ou agrave creacuteer des cycles drsquoautomatismes simples Mais pour les automatismes qui
requiegraverent un grand nombre drsquoentreacutees sorties on doit remplacer le systegraveme de relayage
devenant trop complexe par un automate programmable
Figure 10 Relais meacutecanique
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Tableau 3 Avantages et inconveacutenients drsquoun relais
Avantages Inconveacutenients
Pas de programmation requise
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Tregraves encombrant
Solution non ideacuteale pour creacuteer des
cycles drsquoautomatismes complexes
Technologie vieillissante
32 Eacutelaboration du baregraveme
Le baregraveme est essentiel lors de lrsquoeacutetape de la prise de deacutecision pour accorder le pointage agrave
chaque solution et pour permettre au concepteur de se fixer des prioriteacutes de conception Le
baregraveme est conccedilu en fonction des critegraveres de qualiteacutes rechercheacutees que lrsquoon associe agrave une eacutechelle
de satisfaction avec une pondeacuteration de 1 agrave 4
Tableau 4 Baregraveme
Critegraveres Objectif 1 2 3 4 Simpliciteacute La programmation
etou lrsquoinstallation de la solution doivent ecirctre faciles
Tregraves difficile Difficile Facile Tregraves facile
Compatibiliteacute Lrsquouniteacute doit ecirctre compatible avec les eacutequipements du banc drsquoessai
Pas compatible Peu compatible Compatible Tregraves compatible
Espace Lrsquoespace requis pour installer lrsquouniteacute est limiteacute
Volume imposant Volume eacuteleveacute Volume moyen Volume neacutegligeable
Fiabiliteacute Durabiliteacute
Lrsquouniteacute doit ecirctre fiable et durable
Tregraves faible Moyennement faible
Moyennement eacuteleveacute
Eacuteleveacute
Coucirct Les contraintes budgeacutetaires doivent ecirctre respecteacutees
Tregraves dispendieux Dispendieux Abordable Tregraves abordable
Efficaciteacute eacutenergeacutetique
La consommation eacutelectrique doit diminuer
Consommation eacuteleveacutee
Consommation normale
Consommation faible
Consommation tregraves faible
Seacutecuriteacute Les risques drsquoaccident de travail doivent diminuer
Tregraves risqueacute Risqueacute Peu risqueacute Aucun risque
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33 Matrice de deacutecision Le tableau suivant preacutesente la matrice de deacutecision Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation de chacune des
solutions on a attribueacute agrave chaque critegravere une note situeacutee en 1 et 4 Les notes des critegraveres sont
multiplieacutees par leurs pondeacuterations respectives ils sont ensuite additionneacutes puis enfin diviser par
4 pour obtenir la note en pourcentage de chaque solution Selon les scores obtenus crsquoest
lrsquoautomate programmable qui est consideacutereacute comme eacutetant la meilleure uniteacute de controcircle
Tableau 5 Matrice de deacutecision
Critegraveres Pondeacuteration Solution 1 2 3
Automate programmable
Microcontrocircleur Relais
Simpliciteacute 30 4 3 1 Compatibiliteacute 20 4 2 1
Espace 5 3 4 1 FiabiliteacuteDurabiliteacute 10 4 2 1
Coucirct 15 2 4 3 Efficaciteacute
eacutenergeacutetique 5 3 4 2
Seacutecuriteacute 15 4 1 1 Reacutesultat 100 90 662 338
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34 La conception de la solution recommandeacutee
341 Eacutetude du systegraveme hydraulique existant
La preacutesente section est une eacutetude plus deacutetailleacutee portant sur les principales composantes dont est
constitueacute le banc drsquoessai actuel Lrsquoeacutetude comporte une analyse de leurs caracteacuteristiques
principales et de leurs modes de fonctionnements On y preacutesente eacutegalement les symboles
graphiques de ces composantes Cette eacutetude est une eacutetape primordiale pour pouvoir bien choisir
les nouveaux eacutequipements et concevoir le circuit hydraulique de la solution finale
3411 Ensemble pompe-moteur-reacuteservoir
Comme dans les tous systegravemes hydrauliques le banc drsquoessai dispose drsquoun ensemble pompe-
moteur-reacuteservoir La pompe transforme lrsquoeacutenergie meacutecanique fournie par le moteur eacutelectrique
rotatif en eacutenergie fluide La pompe deacutemarre degraves qursquoon branche le moteur eacutelectrique agrave la prise de
courant Vous retrouverez ci-dessous les speacutecifications de ces composantes et une photo prise
sur place de lrsquoensemble
Moteur eacutelectrique AC
Figure 11 Repreacutesentation scheacutematique du moteur eacutelectrique AC
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Tableau 6 Speacutecifications du moteur eacutelectrique
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Puissance
(HP)
Voltage
(V)
Vitesse
(RPM)
HY-SPEC MFG03 HYSW850203-1G 1 110220 1800
Pompe
Tableau 7 Speacutecifications de la pompe (supposition5)
Marque Deacutebit max
(GPM)
Pression max
(PSI)
Cylindreacutee
(cm3tr)
Inconnu 18 3200 PSI 4
Reacuteservoir
Figure 12 Repreacutesentation scheacutematique du reacuteservoir
5 Le deacutebit et la pression pouvant ecirctre fournie par la pompe sont des informations qui ont eacuteteacute fournies par
lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai mais qui ne sont pas veacuterifiables
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Tableau 8 Speacutecifications du reacuteservoir
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Volume
(L)
HY-SPEC V120 HYSW880117 12
Figure 13 Photo de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir
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3412 Bloc Manifold (bloc foreacute)
Un bloc manifold est un bloc de meacutetal avec plusieurs canaux inteacutegreacute conccedilu pour la conduite de
fluide dans des espaces confineacutes On retrouve sur le bloc des caviteacutes dans lesquelles on peut
installer diffeacuterentes composantes hydrauliques (valves manomegravetres tuyau etc)
Tableau 9 Speacutecifications du bloc manifold
Marque Numeacutero de
seacuterie
Description Nombre
de
sections
Ports Orifice
de
seacutecuriteacute
Pression
drsquoopeacuteration
maximale
(PSI)
HY-
SPEC
HYSDD03-
P-03-2SS
Type D03
Circuit
parallegravele
3 P amp T = SAE 10
A amp B = SAE 8
GA = SAE 6
T-10A 5000
Figure 14 Photo du bloc manifold
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3413 Veacuterins
Les 2 veacuterins hydrauliques utiliseacutes dans le banc drsquoessai sont des veacuterins agrave mouvement lineacuteaire et agrave
double effet (deux directions de travail) qui convertissent lrsquoeacutenergie fluide en eacutenergie
meacutecanique Chaque veacuterin est composeacute drsquoun tube cylindrique (le cylindre) dans lequel est
inseacutereacutee une piegravece mobile (le corps du piston) qui assure lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre deux chambres La
tige rigide qui est relieacutee au corps du piston sert agrave transmettre lrsquoeffort et le deacuteplacement Les
veacuterins comportent deux orifices (alimentation et refoulement) et la pression peut ecirctre appliqueacutee
de chaque cocircteacute du piston pour entraicircner son deacuteplacement dans un sens ou dans lautre Ce sont
les distributeurs qui permettent drsquointervertir les rocircles des deux orifices pour controcircler la
direction de la tige
Par ailleurs il peut y avoir des fuites volumeacutetriques internes et externes dans les veacuterins et qui
sont indeacutesirables car elles reacuteduisent la dureacutee de vie et le rendement des veacuterins La fuite interne
est en fait un eacutecoulement de lrsquohuile de la chambre agrave haute pression vers la chambre agrave basse
pression qui est due au jeu entre le corps du piston et la paroi interne du cylindre Il peut
eacutegalement y avoir une fuite externe due au jeu entre la tige du piston et la tecircte du cylindre Pour
reacuteduire ces fuites on installe des joints drsquoeacutetancheacuteiteacutes sur le corps du piston et sur la tecircte du
cylindre
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees)
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Leacutegende
1 Cylindre 5 Chambre de refoulement
2 Piston A Orifice drsquoadmission
3 Tige R Orifice de refoulement
4 Chambre drsquoadmission
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin
La principale caracteacuteristique des veacuterins est lrsquoaire effective sur laquelle le fluide exerce une
pression Les aires effectives du corps du piston (cocircteacute fond du veacuterin et cocircteacute tecircte du veacuterin) sont
diffeacuterentes agrave cause de la preacutesence de la tige sur une seule face du corps du piston Par
conseacutequent pour des mecircmes pressions drsquoadmission la force de contraction est plus faible que
la force drsquoextension Les eacutequations ci-dessous servent agrave convertir les forces (lb) en pression
(psi) selon le sens drsquoapplication du veacuterin
Calcul pour la conversion force-pression
Diamegravetre du piston6 25 po
Diamegravetre de la tige 15 po
lowast egrave
4lowast 25po
449087
lowast egrave
4lowast 15po
417671
ocirc eacute ecirc eacute
ocirc eacute eacute
6 Bore est le terme eacutequivalent du corps du piston
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Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins
Marque Numeacutero de seacuterie Type drsquoorifices Poids
(livres)
Pression
maximale
(pouce)
HY-SPEC HYS 25FEM24-NW SAE-8 40 3000 PSI
3414 Manomegravetre
Actuellement les pressions exerceacutees dans le bloc manifold et dans chaque chambre des veacuterins
sont mesureacutees agrave lrsquoaide de manomegravetre agrave glyceacuterine
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine
Marque Numeacutero de seacuterie Localisation Diamegravetre
(pouce)
Connexion Eacutechelle du
cadran
(PSI)
HY-
SPEC
HYSG22LXB3000PSI-
14NPT
Bloc
manifold
25
frac14 NPT
0 agrave 3000
HY-
SPEC
HYSG22LXB5000PSI-
14NPT
2 par veacuterin 0 agrave 5000
G
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold
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3415 Les distributeurs
Dans le systegraveme hydraulique les distributeurs (valves de distribution) sont les composantes
actives (modulateurs) qui permettent la distribution du flux drsquoeacutenergie vers les 2 veacuterins
(reacutecepteurs) pour les libeacuterer les arrecircter ou les reacutetracter Sur les trois distributeurs installeacutes sur le
banc drsquoessai seuls 2 drsquoentre eux sont utiliseacutes Le troisiegraveme distributeur a eacuteteacute installeacute au cas ougrave
un troisiegraveme veacuterin serait neacutecessaire pour reacutealiser des tests futurs drsquoapregraves lrsquoopeacuterateur du banc
drsquoessai Il srsquoagit de distributeurs agrave tiroir (de type coulissant) agrave quatre orifices et agrave trois positions
agrave action piloteacutee agrave commande eacutelectrique par soleacutenoiumldes et agrave centrage par ressort de rappel
En alimentant lrsquoun des deux soleacutenoiumldes avec un courant eacutelectrique le tiroir du distributeur se
deacuteplace et lrsquohuile circule par des canaux internes de la valve vers lrsquoune des extreacutemiteacutes du tiroir
principal pendant que lrsquoautre extreacutemiteacute de ce tiroir est raccordeacutee au reacuteservoir du systegraveme par
lrsquoaction du distributeur pilote La pression qui srsquoexerce sur la face du tiroir principal engendre
une force qui pousse ce dernier et le maintien en position agrave voies parallegraveles ou en position agrave
voies croiseacutees En alternant entre la position agrave voies parallegraveles et la position agrave voies croiseacutees le
sens de lrsquoeacutecoulement du fluide dans le veacuterin change et donc le sens de lrsquoapplication de la force
Par ailleurs lorsque les deux soleacutenoiumldes du distributeur ne sont plus alimenteacutes par un courant
eacutelectrique le tiroir principal revient agrave sa position de repos gracircce agrave la pousseacutee du ressort de
rappel Puisqursquoil srsquoagit de distributeurs agrave centre fermeacute lrsquohuile ne peut alors plus circuler dans
les distributeurs et ecirctre achemineacutee dans les veacuterins
Figure 18 Les trois positions des distributeurs
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Leacutegende
T Orifice du reacuteservoir
P Orifice de la pompe
A amp B Admission et refoulement
1 Tiroir
2 Corps de valve
3 Ressort de rappel
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute
Figure 20 Photos des 3 distributeurs
Marque Numeacutero de seacuterie Tension
(V)
Deacutebit
max
(GPM)
Pression admissible
(PSI)
HY-
SPEC
HYSFW-02-3C2-
B110-Z5L-50
24 DC 9 4750
(Orifice A B P)
2320
(Orifice T)
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La commande des distributeurs
Actuellement lrsquoalimentation des soleacutenoiumldes en courant se fait via deux manettes de controcircle
On retrouve sur ces manettes au total 6 boutons qui permettent lrsquoactivation de chacun des
soleacutenoiumldes Le soleacutenoiumlde demeure alimenteacute tant que lrsquoopeacuterateur exerce une pression sur le
bouton Eacutevidemment ces manettes deviendront inutiles lorsque les soleacutenoiumldes seront alimenteacutes
par lrsquoautomate programmable dans la solution finale
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle
Marque Numeacutero de seacuterie Nombre de boutons
HY-SPEC
HYST90009-3P 2
HYST90012-3P 4
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle
Figure 22 Boicircte de conversion7 entre la manette et le distributeur
7 Aucune speacutecification nrsquoest disponible pour la boicircte de conversion des manettes de controcircle
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3416 Limiteurs de deacutebit
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit
Les limiteurs de deacutebit permettent de controcircler les deacutebits drsquoalimentation des veacuterins et par ce fait
les vitesses de sortie et de rentreacutee des tiges des deux veacuterins Pour y arriver ces valves reacutegulent
le deacutebit du fluide en diminuant la section de lrsquoouverture emprunteacutee par celui-ci Le deacutebit est
proportionnel agrave cette ouverture et agrave la racine carreacutee de la perte de charge Sur le banc drsquoessai on
retrouve 2 eacutetrangleurs reacuteglables agrave pointeau par veacuterin Lrsquoeacutetrangleur agrave pointeau est coupleacute dans le
mecircme corps de la valve avec un clapet de retenue avec ressort8 pour que le deacutebit ne soit limiteacute
que dans un seul sens de lrsquoeacutecoulement
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort
Marque Numeacutero de seacuterie Type
Vickers DGMFN-3-Y-A2W-B2W-41 Port double
8 Il y a ouverture du clapet si la pression drsquoentreacutee est supeacuterieure agrave la somme de la pression de sortie et de la pression du ressort
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 58
RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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VincentWLeliegravevre Hiver2011 59
BIBLIOGRAPHIE
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 60
ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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Tableau 2 Avantages et inconveacutenients drsquoun microcontrocircleur
Avantages Inconveacutenients
Tregraves peu encombrant
Tregraves faible consommation
eacutelectrique
Logiciel de programmation
geacuteneacuteralement gratuit
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Peu drsquoentreacuteessorties
Langages de programmation plus
contraignants que le Ladder et le
Grafcet
Non extensible
Tregraves fragile
Vitesse de fonctionnement plus
faible
313 Solution No 3 - Relais
Avant lrsquoavegravenement de lrsquoautomate programmable dans le deacutebut des anneacutees 1970 les systegravemes
eacutetaient automatiseacutes agrave lrsquoaide de relais Les relais peuvent ecirctre activeacutes et deacutesactiveacutes sans
interrupteur manuel Aujourdrsquohui les relais servent agrave reacuteduire la taille des panneaux de controcircle
des machines ou agrave creacuteer des cycles drsquoautomatismes simples Mais pour les automatismes qui
requiegraverent un grand nombre drsquoentreacutees sorties on doit remplacer le systegraveme de relayage
devenant trop complexe par un automate programmable
Figure 10 Relais meacutecanique
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Tableau 3 Avantages et inconveacutenients drsquoun relais
Avantages Inconveacutenients
Pas de programmation requise
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Tregraves encombrant
Solution non ideacuteale pour creacuteer des
cycles drsquoautomatismes complexes
Technologie vieillissante
32 Eacutelaboration du baregraveme
Le baregraveme est essentiel lors de lrsquoeacutetape de la prise de deacutecision pour accorder le pointage agrave
chaque solution et pour permettre au concepteur de se fixer des prioriteacutes de conception Le
baregraveme est conccedilu en fonction des critegraveres de qualiteacutes rechercheacutees que lrsquoon associe agrave une eacutechelle
de satisfaction avec une pondeacuteration de 1 agrave 4
Tableau 4 Baregraveme
Critegraveres Objectif 1 2 3 4 Simpliciteacute La programmation
etou lrsquoinstallation de la solution doivent ecirctre faciles
Tregraves difficile Difficile Facile Tregraves facile
Compatibiliteacute Lrsquouniteacute doit ecirctre compatible avec les eacutequipements du banc drsquoessai
Pas compatible Peu compatible Compatible Tregraves compatible
Espace Lrsquoespace requis pour installer lrsquouniteacute est limiteacute
Volume imposant Volume eacuteleveacute Volume moyen Volume neacutegligeable
Fiabiliteacute Durabiliteacute
Lrsquouniteacute doit ecirctre fiable et durable
Tregraves faible Moyennement faible
Moyennement eacuteleveacute
Eacuteleveacute
Coucirct Les contraintes budgeacutetaires doivent ecirctre respecteacutees
Tregraves dispendieux Dispendieux Abordable Tregraves abordable
Efficaciteacute eacutenergeacutetique
La consommation eacutelectrique doit diminuer
Consommation eacuteleveacutee
Consommation normale
Consommation faible
Consommation tregraves faible
Seacutecuriteacute Les risques drsquoaccident de travail doivent diminuer
Tregraves risqueacute Risqueacute Peu risqueacute Aucun risque
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33 Matrice de deacutecision Le tableau suivant preacutesente la matrice de deacutecision Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation de chacune des
solutions on a attribueacute agrave chaque critegravere une note situeacutee en 1 et 4 Les notes des critegraveres sont
multiplieacutees par leurs pondeacuterations respectives ils sont ensuite additionneacutes puis enfin diviser par
4 pour obtenir la note en pourcentage de chaque solution Selon les scores obtenus crsquoest
lrsquoautomate programmable qui est consideacutereacute comme eacutetant la meilleure uniteacute de controcircle
Tableau 5 Matrice de deacutecision
Critegraveres Pondeacuteration Solution 1 2 3
Automate programmable
Microcontrocircleur Relais
Simpliciteacute 30 4 3 1 Compatibiliteacute 20 4 2 1
Espace 5 3 4 1 FiabiliteacuteDurabiliteacute 10 4 2 1
Coucirct 15 2 4 3 Efficaciteacute
eacutenergeacutetique 5 3 4 2
Seacutecuriteacute 15 4 1 1 Reacutesultat 100 90 662 338
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34 La conception de la solution recommandeacutee
341 Eacutetude du systegraveme hydraulique existant
La preacutesente section est une eacutetude plus deacutetailleacutee portant sur les principales composantes dont est
constitueacute le banc drsquoessai actuel Lrsquoeacutetude comporte une analyse de leurs caracteacuteristiques
principales et de leurs modes de fonctionnements On y preacutesente eacutegalement les symboles
graphiques de ces composantes Cette eacutetude est une eacutetape primordiale pour pouvoir bien choisir
les nouveaux eacutequipements et concevoir le circuit hydraulique de la solution finale
3411 Ensemble pompe-moteur-reacuteservoir
Comme dans les tous systegravemes hydrauliques le banc drsquoessai dispose drsquoun ensemble pompe-
moteur-reacuteservoir La pompe transforme lrsquoeacutenergie meacutecanique fournie par le moteur eacutelectrique
rotatif en eacutenergie fluide La pompe deacutemarre degraves qursquoon branche le moteur eacutelectrique agrave la prise de
courant Vous retrouverez ci-dessous les speacutecifications de ces composantes et une photo prise
sur place de lrsquoensemble
Moteur eacutelectrique AC
Figure 11 Repreacutesentation scheacutematique du moteur eacutelectrique AC
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Tableau 6 Speacutecifications du moteur eacutelectrique
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Puissance
(HP)
Voltage
(V)
Vitesse
(RPM)
HY-SPEC MFG03 HYSW850203-1G 1 110220 1800
Pompe
Tableau 7 Speacutecifications de la pompe (supposition5)
Marque Deacutebit max
(GPM)
Pression max
(PSI)
Cylindreacutee
(cm3tr)
Inconnu 18 3200 PSI 4
Reacuteservoir
Figure 12 Repreacutesentation scheacutematique du reacuteservoir
5 Le deacutebit et la pression pouvant ecirctre fournie par la pompe sont des informations qui ont eacuteteacute fournies par
lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai mais qui ne sont pas veacuterifiables
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Tableau 8 Speacutecifications du reacuteservoir
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Volume
(L)
HY-SPEC V120 HYSW880117 12
Figure 13 Photo de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir
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3412 Bloc Manifold (bloc foreacute)
Un bloc manifold est un bloc de meacutetal avec plusieurs canaux inteacutegreacute conccedilu pour la conduite de
fluide dans des espaces confineacutes On retrouve sur le bloc des caviteacutes dans lesquelles on peut
installer diffeacuterentes composantes hydrauliques (valves manomegravetres tuyau etc)
Tableau 9 Speacutecifications du bloc manifold
Marque Numeacutero de
seacuterie
Description Nombre
de
sections
Ports Orifice
de
seacutecuriteacute
Pression
drsquoopeacuteration
maximale
(PSI)
HY-
SPEC
HYSDD03-
P-03-2SS
Type D03
Circuit
parallegravele
3 P amp T = SAE 10
A amp B = SAE 8
GA = SAE 6
T-10A 5000
Figure 14 Photo du bloc manifold
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3413 Veacuterins
Les 2 veacuterins hydrauliques utiliseacutes dans le banc drsquoessai sont des veacuterins agrave mouvement lineacuteaire et agrave
double effet (deux directions de travail) qui convertissent lrsquoeacutenergie fluide en eacutenergie
meacutecanique Chaque veacuterin est composeacute drsquoun tube cylindrique (le cylindre) dans lequel est
inseacutereacutee une piegravece mobile (le corps du piston) qui assure lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre deux chambres La
tige rigide qui est relieacutee au corps du piston sert agrave transmettre lrsquoeffort et le deacuteplacement Les
veacuterins comportent deux orifices (alimentation et refoulement) et la pression peut ecirctre appliqueacutee
de chaque cocircteacute du piston pour entraicircner son deacuteplacement dans un sens ou dans lautre Ce sont
les distributeurs qui permettent drsquointervertir les rocircles des deux orifices pour controcircler la
direction de la tige
Par ailleurs il peut y avoir des fuites volumeacutetriques internes et externes dans les veacuterins et qui
sont indeacutesirables car elles reacuteduisent la dureacutee de vie et le rendement des veacuterins La fuite interne
est en fait un eacutecoulement de lrsquohuile de la chambre agrave haute pression vers la chambre agrave basse
pression qui est due au jeu entre le corps du piston et la paroi interne du cylindre Il peut
eacutegalement y avoir une fuite externe due au jeu entre la tige du piston et la tecircte du cylindre Pour
reacuteduire ces fuites on installe des joints drsquoeacutetancheacuteiteacutes sur le corps du piston et sur la tecircte du
cylindre
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees)
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Leacutegende
1 Cylindre 5 Chambre de refoulement
2 Piston A Orifice drsquoadmission
3 Tige R Orifice de refoulement
4 Chambre drsquoadmission
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin
La principale caracteacuteristique des veacuterins est lrsquoaire effective sur laquelle le fluide exerce une
pression Les aires effectives du corps du piston (cocircteacute fond du veacuterin et cocircteacute tecircte du veacuterin) sont
diffeacuterentes agrave cause de la preacutesence de la tige sur une seule face du corps du piston Par
conseacutequent pour des mecircmes pressions drsquoadmission la force de contraction est plus faible que
la force drsquoextension Les eacutequations ci-dessous servent agrave convertir les forces (lb) en pression
(psi) selon le sens drsquoapplication du veacuterin
Calcul pour la conversion force-pression
Diamegravetre du piston6 25 po
Diamegravetre de la tige 15 po
lowast egrave
4lowast 25po
449087
lowast egrave
4lowast 15po
417671
ocirc eacute ecirc eacute
ocirc eacute eacute
6 Bore est le terme eacutequivalent du corps du piston
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Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins
Marque Numeacutero de seacuterie Type drsquoorifices Poids
(livres)
Pression
maximale
(pouce)
HY-SPEC HYS 25FEM24-NW SAE-8 40 3000 PSI
3414 Manomegravetre
Actuellement les pressions exerceacutees dans le bloc manifold et dans chaque chambre des veacuterins
sont mesureacutees agrave lrsquoaide de manomegravetre agrave glyceacuterine
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine
Marque Numeacutero de seacuterie Localisation Diamegravetre
(pouce)
Connexion Eacutechelle du
cadran
(PSI)
HY-
SPEC
HYSG22LXB3000PSI-
14NPT
Bloc
manifold
25
frac14 NPT
0 agrave 3000
HY-
SPEC
HYSG22LXB5000PSI-
14NPT
2 par veacuterin 0 agrave 5000
G
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold
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3415 Les distributeurs
Dans le systegraveme hydraulique les distributeurs (valves de distribution) sont les composantes
actives (modulateurs) qui permettent la distribution du flux drsquoeacutenergie vers les 2 veacuterins
(reacutecepteurs) pour les libeacuterer les arrecircter ou les reacutetracter Sur les trois distributeurs installeacutes sur le
banc drsquoessai seuls 2 drsquoentre eux sont utiliseacutes Le troisiegraveme distributeur a eacuteteacute installeacute au cas ougrave
un troisiegraveme veacuterin serait neacutecessaire pour reacutealiser des tests futurs drsquoapregraves lrsquoopeacuterateur du banc
drsquoessai Il srsquoagit de distributeurs agrave tiroir (de type coulissant) agrave quatre orifices et agrave trois positions
agrave action piloteacutee agrave commande eacutelectrique par soleacutenoiumldes et agrave centrage par ressort de rappel
En alimentant lrsquoun des deux soleacutenoiumldes avec un courant eacutelectrique le tiroir du distributeur se
deacuteplace et lrsquohuile circule par des canaux internes de la valve vers lrsquoune des extreacutemiteacutes du tiroir
principal pendant que lrsquoautre extreacutemiteacute de ce tiroir est raccordeacutee au reacuteservoir du systegraveme par
lrsquoaction du distributeur pilote La pression qui srsquoexerce sur la face du tiroir principal engendre
une force qui pousse ce dernier et le maintien en position agrave voies parallegraveles ou en position agrave
voies croiseacutees En alternant entre la position agrave voies parallegraveles et la position agrave voies croiseacutees le
sens de lrsquoeacutecoulement du fluide dans le veacuterin change et donc le sens de lrsquoapplication de la force
Par ailleurs lorsque les deux soleacutenoiumldes du distributeur ne sont plus alimenteacutes par un courant
eacutelectrique le tiroir principal revient agrave sa position de repos gracircce agrave la pousseacutee du ressort de
rappel Puisqursquoil srsquoagit de distributeurs agrave centre fermeacute lrsquohuile ne peut alors plus circuler dans
les distributeurs et ecirctre achemineacutee dans les veacuterins
Figure 18 Les trois positions des distributeurs
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Leacutegende
T Orifice du reacuteservoir
P Orifice de la pompe
A amp B Admission et refoulement
1 Tiroir
2 Corps de valve
3 Ressort de rappel
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute
Figure 20 Photos des 3 distributeurs
Marque Numeacutero de seacuterie Tension
(V)
Deacutebit
max
(GPM)
Pression admissible
(PSI)
HY-
SPEC
HYSFW-02-3C2-
B110-Z5L-50
24 DC 9 4750
(Orifice A B P)
2320
(Orifice T)
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La commande des distributeurs
Actuellement lrsquoalimentation des soleacutenoiumldes en courant se fait via deux manettes de controcircle
On retrouve sur ces manettes au total 6 boutons qui permettent lrsquoactivation de chacun des
soleacutenoiumldes Le soleacutenoiumlde demeure alimenteacute tant que lrsquoopeacuterateur exerce une pression sur le
bouton Eacutevidemment ces manettes deviendront inutiles lorsque les soleacutenoiumldes seront alimenteacutes
par lrsquoautomate programmable dans la solution finale
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle
Marque Numeacutero de seacuterie Nombre de boutons
HY-SPEC
HYST90009-3P 2
HYST90012-3P 4
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle
Figure 22 Boicircte de conversion7 entre la manette et le distributeur
7 Aucune speacutecification nrsquoest disponible pour la boicircte de conversion des manettes de controcircle
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3416 Limiteurs de deacutebit
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit
Les limiteurs de deacutebit permettent de controcircler les deacutebits drsquoalimentation des veacuterins et par ce fait
les vitesses de sortie et de rentreacutee des tiges des deux veacuterins Pour y arriver ces valves reacutegulent
le deacutebit du fluide en diminuant la section de lrsquoouverture emprunteacutee par celui-ci Le deacutebit est
proportionnel agrave cette ouverture et agrave la racine carreacutee de la perte de charge Sur le banc drsquoessai on
retrouve 2 eacutetrangleurs reacuteglables agrave pointeau par veacuterin Lrsquoeacutetrangleur agrave pointeau est coupleacute dans le
mecircme corps de la valve avec un clapet de retenue avec ressort8 pour que le deacutebit ne soit limiteacute
que dans un seul sens de lrsquoeacutecoulement
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort
Marque Numeacutero de seacuterie Type
Vickers DGMFN-3-Y-A2W-B2W-41 Port double
8 Il y a ouverture du clapet si la pression drsquoentreacutee est supeacuterieure agrave la somme de la pression de sortie et de la pression du ressort
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
Vinc
342
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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Tableau 3 Avantages et inconveacutenients drsquoun relais
Avantages Inconveacutenients
Pas de programmation requise
Solution eacuteconomique pour les
petites ou simples applications
Tregraves encombrant
Solution non ideacuteale pour creacuteer des
cycles drsquoautomatismes complexes
Technologie vieillissante
32 Eacutelaboration du baregraveme
Le baregraveme est essentiel lors de lrsquoeacutetape de la prise de deacutecision pour accorder le pointage agrave
chaque solution et pour permettre au concepteur de se fixer des prioriteacutes de conception Le
baregraveme est conccedilu en fonction des critegraveres de qualiteacutes rechercheacutees que lrsquoon associe agrave une eacutechelle
de satisfaction avec une pondeacuteration de 1 agrave 4
Tableau 4 Baregraveme
Critegraveres Objectif 1 2 3 4 Simpliciteacute La programmation
etou lrsquoinstallation de la solution doivent ecirctre faciles
Tregraves difficile Difficile Facile Tregraves facile
Compatibiliteacute Lrsquouniteacute doit ecirctre compatible avec les eacutequipements du banc drsquoessai
Pas compatible Peu compatible Compatible Tregraves compatible
Espace Lrsquoespace requis pour installer lrsquouniteacute est limiteacute
Volume imposant Volume eacuteleveacute Volume moyen Volume neacutegligeable
Fiabiliteacute Durabiliteacute
Lrsquouniteacute doit ecirctre fiable et durable
Tregraves faible Moyennement faible
Moyennement eacuteleveacute
Eacuteleveacute
Coucirct Les contraintes budgeacutetaires doivent ecirctre respecteacutees
Tregraves dispendieux Dispendieux Abordable Tregraves abordable
Efficaciteacute eacutenergeacutetique
La consommation eacutelectrique doit diminuer
Consommation eacuteleveacutee
Consommation normale
Consommation faible
Consommation tregraves faible
Seacutecuriteacute Les risques drsquoaccident de travail doivent diminuer
Tregraves risqueacute Risqueacute Peu risqueacute Aucun risque
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33 Matrice de deacutecision Le tableau suivant preacutesente la matrice de deacutecision Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation de chacune des
solutions on a attribueacute agrave chaque critegravere une note situeacutee en 1 et 4 Les notes des critegraveres sont
multiplieacutees par leurs pondeacuterations respectives ils sont ensuite additionneacutes puis enfin diviser par
4 pour obtenir la note en pourcentage de chaque solution Selon les scores obtenus crsquoest
lrsquoautomate programmable qui est consideacutereacute comme eacutetant la meilleure uniteacute de controcircle
Tableau 5 Matrice de deacutecision
Critegraveres Pondeacuteration Solution 1 2 3
Automate programmable
Microcontrocircleur Relais
Simpliciteacute 30 4 3 1 Compatibiliteacute 20 4 2 1
Espace 5 3 4 1 FiabiliteacuteDurabiliteacute 10 4 2 1
Coucirct 15 2 4 3 Efficaciteacute
eacutenergeacutetique 5 3 4 2
Seacutecuriteacute 15 4 1 1 Reacutesultat 100 90 662 338
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34 La conception de la solution recommandeacutee
341 Eacutetude du systegraveme hydraulique existant
La preacutesente section est une eacutetude plus deacutetailleacutee portant sur les principales composantes dont est
constitueacute le banc drsquoessai actuel Lrsquoeacutetude comporte une analyse de leurs caracteacuteristiques
principales et de leurs modes de fonctionnements On y preacutesente eacutegalement les symboles
graphiques de ces composantes Cette eacutetude est une eacutetape primordiale pour pouvoir bien choisir
les nouveaux eacutequipements et concevoir le circuit hydraulique de la solution finale
3411 Ensemble pompe-moteur-reacuteservoir
Comme dans les tous systegravemes hydrauliques le banc drsquoessai dispose drsquoun ensemble pompe-
moteur-reacuteservoir La pompe transforme lrsquoeacutenergie meacutecanique fournie par le moteur eacutelectrique
rotatif en eacutenergie fluide La pompe deacutemarre degraves qursquoon branche le moteur eacutelectrique agrave la prise de
courant Vous retrouverez ci-dessous les speacutecifications de ces composantes et une photo prise
sur place de lrsquoensemble
Moteur eacutelectrique AC
Figure 11 Repreacutesentation scheacutematique du moteur eacutelectrique AC
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Tableau 6 Speacutecifications du moteur eacutelectrique
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Puissance
(HP)
Voltage
(V)
Vitesse
(RPM)
HY-SPEC MFG03 HYSW850203-1G 1 110220 1800
Pompe
Tableau 7 Speacutecifications de la pompe (supposition5)
Marque Deacutebit max
(GPM)
Pression max
(PSI)
Cylindreacutee
(cm3tr)
Inconnu 18 3200 PSI 4
Reacuteservoir
Figure 12 Repreacutesentation scheacutematique du reacuteservoir
5 Le deacutebit et la pression pouvant ecirctre fournie par la pompe sont des informations qui ont eacuteteacute fournies par
lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai mais qui ne sont pas veacuterifiables
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Tableau 8 Speacutecifications du reacuteservoir
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Volume
(L)
HY-SPEC V120 HYSW880117 12
Figure 13 Photo de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir
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3412 Bloc Manifold (bloc foreacute)
Un bloc manifold est un bloc de meacutetal avec plusieurs canaux inteacutegreacute conccedilu pour la conduite de
fluide dans des espaces confineacutes On retrouve sur le bloc des caviteacutes dans lesquelles on peut
installer diffeacuterentes composantes hydrauliques (valves manomegravetres tuyau etc)
Tableau 9 Speacutecifications du bloc manifold
Marque Numeacutero de
seacuterie
Description Nombre
de
sections
Ports Orifice
de
seacutecuriteacute
Pression
drsquoopeacuteration
maximale
(PSI)
HY-
SPEC
HYSDD03-
P-03-2SS
Type D03
Circuit
parallegravele
3 P amp T = SAE 10
A amp B = SAE 8
GA = SAE 6
T-10A 5000
Figure 14 Photo du bloc manifold
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3413 Veacuterins
Les 2 veacuterins hydrauliques utiliseacutes dans le banc drsquoessai sont des veacuterins agrave mouvement lineacuteaire et agrave
double effet (deux directions de travail) qui convertissent lrsquoeacutenergie fluide en eacutenergie
meacutecanique Chaque veacuterin est composeacute drsquoun tube cylindrique (le cylindre) dans lequel est
inseacutereacutee une piegravece mobile (le corps du piston) qui assure lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre deux chambres La
tige rigide qui est relieacutee au corps du piston sert agrave transmettre lrsquoeffort et le deacuteplacement Les
veacuterins comportent deux orifices (alimentation et refoulement) et la pression peut ecirctre appliqueacutee
de chaque cocircteacute du piston pour entraicircner son deacuteplacement dans un sens ou dans lautre Ce sont
les distributeurs qui permettent drsquointervertir les rocircles des deux orifices pour controcircler la
direction de la tige
Par ailleurs il peut y avoir des fuites volumeacutetriques internes et externes dans les veacuterins et qui
sont indeacutesirables car elles reacuteduisent la dureacutee de vie et le rendement des veacuterins La fuite interne
est en fait un eacutecoulement de lrsquohuile de la chambre agrave haute pression vers la chambre agrave basse
pression qui est due au jeu entre le corps du piston et la paroi interne du cylindre Il peut
eacutegalement y avoir une fuite externe due au jeu entre la tige du piston et la tecircte du cylindre Pour
reacuteduire ces fuites on installe des joints drsquoeacutetancheacuteiteacutes sur le corps du piston et sur la tecircte du
cylindre
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees)
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Leacutegende
1 Cylindre 5 Chambre de refoulement
2 Piston A Orifice drsquoadmission
3 Tige R Orifice de refoulement
4 Chambre drsquoadmission
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin
La principale caracteacuteristique des veacuterins est lrsquoaire effective sur laquelle le fluide exerce une
pression Les aires effectives du corps du piston (cocircteacute fond du veacuterin et cocircteacute tecircte du veacuterin) sont
diffeacuterentes agrave cause de la preacutesence de la tige sur une seule face du corps du piston Par
conseacutequent pour des mecircmes pressions drsquoadmission la force de contraction est plus faible que
la force drsquoextension Les eacutequations ci-dessous servent agrave convertir les forces (lb) en pression
(psi) selon le sens drsquoapplication du veacuterin
Calcul pour la conversion force-pression
Diamegravetre du piston6 25 po
Diamegravetre de la tige 15 po
lowast egrave
4lowast 25po
449087
lowast egrave
4lowast 15po
417671
ocirc eacute ecirc eacute
ocirc eacute eacute
6 Bore est le terme eacutequivalent du corps du piston
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Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins
Marque Numeacutero de seacuterie Type drsquoorifices Poids
(livres)
Pression
maximale
(pouce)
HY-SPEC HYS 25FEM24-NW SAE-8 40 3000 PSI
3414 Manomegravetre
Actuellement les pressions exerceacutees dans le bloc manifold et dans chaque chambre des veacuterins
sont mesureacutees agrave lrsquoaide de manomegravetre agrave glyceacuterine
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine
Marque Numeacutero de seacuterie Localisation Diamegravetre
(pouce)
Connexion Eacutechelle du
cadran
(PSI)
HY-
SPEC
HYSG22LXB3000PSI-
14NPT
Bloc
manifold
25
frac14 NPT
0 agrave 3000
HY-
SPEC
HYSG22LXB5000PSI-
14NPT
2 par veacuterin 0 agrave 5000
G
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold
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3415 Les distributeurs
Dans le systegraveme hydraulique les distributeurs (valves de distribution) sont les composantes
actives (modulateurs) qui permettent la distribution du flux drsquoeacutenergie vers les 2 veacuterins
(reacutecepteurs) pour les libeacuterer les arrecircter ou les reacutetracter Sur les trois distributeurs installeacutes sur le
banc drsquoessai seuls 2 drsquoentre eux sont utiliseacutes Le troisiegraveme distributeur a eacuteteacute installeacute au cas ougrave
un troisiegraveme veacuterin serait neacutecessaire pour reacutealiser des tests futurs drsquoapregraves lrsquoopeacuterateur du banc
drsquoessai Il srsquoagit de distributeurs agrave tiroir (de type coulissant) agrave quatre orifices et agrave trois positions
agrave action piloteacutee agrave commande eacutelectrique par soleacutenoiumldes et agrave centrage par ressort de rappel
En alimentant lrsquoun des deux soleacutenoiumldes avec un courant eacutelectrique le tiroir du distributeur se
deacuteplace et lrsquohuile circule par des canaux internes de la valve vers lrsquoune des extreacutemiteacutes du tiroir
principal pendant que lrsquoautre extreacutemiteacute de ce tiroir est raccordeacutee au reacuteservoir du systegraveme par
lrsquoaction du distributeur pilote La pression qui srsquoexerce sur la face du tiroir principal engendre
une force qui pousse ce dernier et le maintien en position agrave voies parallegraveles ou en position agrave
voies croiseacutees En alternant entre la position agrave voies parallegraveles et la position agrave voies croiseacutees le
sens de lrsquoeacutecoulement du fluide dans le veacuterin change et donc le sens de lrsquoapplication de la force
Par ailleurs lorsque les deux soleacutenoiumldes du distributeur ne sont plus alimenteacutes par un courant
eacutelectrique le tiroir principal revient agrave sa position de repos gracircce agrave la pousseacutee du ressort de
rappel Puisqursquoil srsquoagit de distributeurs agrave centre fermeacute lrsquohuile ne peut alors plus circuler dans
les distributeurs et ecirctre achemineacutee dans les veacuterins
Figure 18 Les trois positions des distributeurs
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Leacutegende
T Orifice du reacuteservoir
P Orifice de la pompe
A amp B Admission et refoulement
1 Tiroir
2 Corps de valve
3 Ressort de rappel
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute
Figure 20 Photos des 3 distributeurs
Marque Numeacutero de seacuterie Tension
(V)
Deacutebit
max
(GPM)
Pression admissible
(PSI)
HY-
SPEC
HYSFW-02-3C2-
B110-Z5L-50
24 DC 9 4750
(Orifice A B P)
2320
(Orifice T)
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La commande des distributeurs
Actuellement lrsquoalimentation des soleacutenoiumldes en courant se fait via deux manettes de controcircle
On retrouve sur ces manettes au total 6 boutons qui permettent lrsquoactivation de chacun des
soleacutenoiumldes Le soleacutenoiumlde demeure alimenteacute tant que lrsquoopeacuterateur exerce une pression sur le
bouton Eacutevidemment ces manettes deviendront inutiles lorsque les soleacutenoiumldes seront alimenteacutes
par lrsquoautomate programmable dans la solution finale
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle
Marque Numeacutero de seacuterie Nombre de boutons
HY-SPEC
HYST90009-3P 2
HYST90012-3P 4
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle
Figure 22 Boicircte de conversion7 entre la manette et le distributeur
7 Aucune speacutecification nrsquoest disponible pour la boicircte de conversion des manettes de controcircle
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3416 Limiteurs de deacutebit
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit
Les limiteurs de deacutebit permettent de controcircler les deacutebits drsquoalimentation des veacuterins et par ce fait
les vitesses de sortie et de rentreacutee des tiges des deux veacuterins Pour y arriver ces valves reacutegulent
le deacutebit du fluide en diminuant la section de lrsquoouverture emprunteacutee par celui-ci Le deacutebit est
proportionnel agrave cette ouverture et agrave la racine carreacutee de la perte de charge Sur le banc drsquoessai on
retrouve 2 eacutetrangleurs reacuteglables agrave pointeau par veacuterin Lrsquoeacutetrangleur agrave pointeau est coupleacute dans le
mecircme corps de la valve avec un clapet de retenue avec ressort8 pour que le deacutebit ne soit limiteacute
que dans un seul sens de lrsquoeacutecoulement
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort
Marque Numeacutero de seacuterie Type
Vickers DGMFN-3-Y-A2W-B2W-41 Port double
8 Il y a ouverture du clapet si la pression drsquoentreacutee est supeacuterieure agrave la somme de la pression de sortie et de la pression du ressort
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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33 Matrice de deacutecision Le tableau suivant preacutesente la matrice de deacutecision Pour proceacuteder agrave lrsquoeacutevaluation de chacune des
solutions on a attribueacute agrave chaque critegravere une note situeacutee en 1 et 4 Les notes des critegraveres sont
multiplieacutees par leurs pondeacuterations respectives ils sont ensuite additionneacutes puis enfin diviser par
4 pour obtenir la note en pourcentage de chaque solution Selon les scores obtenus crsquoest
lrsquoautomate programmable qui est consideacutereacute comme eacutetant la meilleure uniteacute de controcircle
Tableau 5 Matrice de deacutecision
Critegraveres Pondeacuteration Solution 1 2 3
Automate programmable
Microcontrocircleur Relais
Simpliciteacute 30 4 3 1 Compatibiliteacute 20 4 2 1
Espace 5 3 4 1 FiabiliteacuteDurabiliteacute 10 4 2 1
Coucirct 15 2 4 3 Efficaciteacute
eacutenergeacutetique 5 3 4 2
Seacutecuriteacute 15 4 1 1 Reacutesultat 100 90 662 338
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34 La conception de la solution recommandeacutee
341 Eacutetude du systegraveme hydraulique existant
La preacutesente section est une eacutetude plus deacutetailleacutee portant sur les principales composantes dont est
constitueacute le banc drsquoessai actuel Lrsquoeacutetude comporte une analyse de leurs caracteacuteristiques
principales et de leurs modes de fonctionnements On y preacutesente eacutegalement les symboles
graphiques de ces composantes Cette eacutetude est une eacutetape primordiale pour pouvoir bien choisir
les nouveaux eacutequipements et concevoir le circuit hydraulique de la solution finale
3411 Ensemble pompe-moteur-reacuteservoir
Comme dans les tous systegravemes hydrauliques le banc drsquoessai dispose drsquoun ensemble pompe-
moteur-reacuteservoir La pompe transforme lrsquoeacutenergie meacutecanique fournie par le moteur eacutelectrique
rotatif en eacutenergie fluide La pompe deacutemarre degraves qursquoon branche le moteur eacutelectrique agrave la prise de
courant Vous retrouverez ci-dessous les speacutecifications de ces composantes et une photo prise
sur place de lrsquoensemble
Moteur eacutelectrique AC
Figure 11 Repreacutesentation scheacutematique du moteur eacutelectrique AC
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Tableau 6 Speacutecifications du moteur eacutelectrique
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Puissance
(HP)
Voltage
(V)
Vitesse
(RPM)
HY-SPEC MFG03 HYSW850203-1G 1 110220 1800
Pompe
Tableau 7 Speacutecifications de la pompe (supposition5)
Marque Deacutebit max
(GPM)
Pression max
(PSI)
Cylindreacutee
(cm3tr)
Inconnu 18 3200 PSI 4
Reacuteservoir
Figure 12 Repreacutesentation scheacutematique du reacuteservoir
5 Le deacutebit et la pression pouvant ecirctre fournie par la pompe sont des informations qui ont eacuteteacute fournies par
lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai mais qui ne sont pas veacuterifiables
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Tableau 8 Speacutecifications du reacuteservoir
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Volume
(L)
HY-SPEC V120 HYSW880117 12
Figure 13 Photo de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir
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3412 Bloc Manifold (bloc foreacute)
Un bloc manifold est un bloc de meacutetal avec plusieurs canaux inteacutegreacute conccedilu pour la conduite de
fluide dans des espaces confineacutes On retrouve sur le bloc des caviteacutes dans lesquelles on peut
installer diffeacuterentes composantes hydrauliques (valves manomegravetres tuyau etc)
Tableau 9 Speacutecifications du bloc manifold
Marque Numeacutero de
seacuterie
Description Nombre
de
sections
Ports Orifice
de
seacutecuriteacute
Pression
drsquoopeacuteration
maximale
(PSI)
HY-
SPEC
HYSDD03-
P-03-2SS
Type D03
Circuit
parallegravele
3 P amp T = SAE 10
A amp B = SAE 8
GA = SAE 6
T-10A 5000
Figure 14 Photo du bloc manifold
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3413 Veacuterins
Les 2 veacuterins hydrauliques utiliseacutes dans le banc drsquoessai sont des veacuterins agrave mouvement lineacuteaire et agrave
double effet (deux directions de travail) qui convertissent lrsquoeacutenergie fluide en eacutenergie
meacutecanique Chaque veacuterin est composeacute drsquoun tube cylindrique (le cylindre) dans lequel est
inseacutereacutee une piegravece mobile (le corps du piston) qui assure lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre deux chambres La
tige rigide qui est relieacutee au corps du piston sert agrave transmettre lrsquoeffort et le deacuteplacement Les
veacuterins comportent deux orifices (alimentation et refoulement) et la pression peut ecirctre appliqueacutee
de chaque cocircteacute du piston pour entraicircner son deacuteplacement dans un sens ou dans lautre Ce sont
les distributeurs qui permettent drsquointervertir les rocircles des deux orifices pour controcircler la
direction de la tige
Par ailleurs il peut y avoir des fuites volumeacutetriques internes et externes dans les veacuterins et qui
sont indeacutesirables car elles reacuteduisent la dureacutee de vie et le rendement des veacuterins La fuite interne
est en fait un eacutecoulement de lrsquohuile de la chambre agrave haute pression vers la chambre agrave basse
pression qui est due au jeu entre le corps du piston et la paroi interne du cylindre Il peut
eacutegalement y avoir une fuite externe due au jeu entre la tige du piston et la tecircte du cylindre Pour
reacuteduire ces fuites on installe des joints drsquoeacutetancheacuteiteacutes sur le corps du piston et sur la tecircte du
cylindre
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees)
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Leacutegende
1 Cylindre 5 Chambre de refoulement
2 Piston A Orifice drsquoadmission
3 Tige R Orifice de refoulement
4 Chambre drsquoadmission
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin
La principale caracteacuteristique des veacuterins est lrsquoaire effective sur laquelle le fluide exerce une
pression Les aires effectives du corps du piston (cocircteacute fond du veacuterin et cocircteacute tecircte du veacuterin) sont
diffeacuterentes agrave cause de la preacutesence de la tige sur une seule face du corps du piston Par
conseacutequent pour des mecircmes pressions drsquoadmission la force de contraction est plus faible que
la force drsquoextension Les eacutequations ci-dessous servent agrave convertir les forces (lb) en pression
(psi) selon le sens drsquoapplication du veacuterin
Calcul pour la conversion force-pression
Diamegravetre du piston6 25 po
Diamegravetre de la tige 15 po
lowast egrave
4lowast 25po
449087
lowast egrave
4lowast 15po
417671
ocirc eacute ecirc eacute
ocirc eacute eacute
6 Bore est le terme eacutequivalent du corps du piston
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Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins
Marque Numeacutero de seacuterie Type drsquoorifices Poids
(livres)
Pression
maximale
(pouce)
HY-SPEC HYS 25FEM24-NW SAE-8 40 3000 PSI
3414 Manomegravetre
Actuellement les pressions exerceacutees dans le bloc manifold et dans chaque chambre des veacuterins
sont mesureacutees agrave lrsquoaide de manomegravetre agrave glyceacuterine
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine
Marque Numeacutero de seacuterie Localisation Diamegravetre
(pouce)
Connexion Eacutechelle du
cadran
(PSI)
HY-
SPEC
HYSG22LXB3000PSI-
14NPT
Bloc
manifold
25
frac14 NPT
0 agrave 3000
HY-
SPEC
HYSG22LXB5000PSI-
14NPT
2 par veacuterin 0 agrave 5000
G
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold
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3415 Les distributeurs
Dans le systegraveme hydraulique les distributeurs (valves de distribution) sont les composantes
actives (modulateurs) qui permettent la distribution du flux drsquoeacutenergie vers les 2 veacuterins
(reacutecepteurs) pour les libeacuterer les arrecircter ou les reacutetracter Sur les trois distributeurs installeacutes sur le
banc drsquoessai seuls 2 drsquoentre eux sont utiliseacutes Le troisiegraveme distributeur a eacuteteacute installeacute au cas ougrave
un troisiegraveme veacuterin serait neacutecessaire pour reacutealiser des tests futurs drsquoapregraves lrsquoopeacuterateur du banc
drsquoessai Il srsquoagit de distributeurs agrave tiroir (de type coulissant) agrave quatre orifices et agrave trois positions
agrave action piloteacutee agrave commande eacutelectrique par soleacutenoiumldes et agrave centrage par ressort de rappel
En alimentant lrsquoun des deux soleacutenoiumldes avec un courant eacutelectrique le tiroir du distributeur se
deacuteplace et lrsquohuile circule par des canaux internes de la valve vers lrsquoune des extreacutemiteacutes du tiroir
principal pendant que lrsquoautre extreacutemiteacute de ce tiroir est raccordeacutee au reacuteservoir du systegraveme par
lrsquoaction du distributeur pilote La pression qui srsquoexerce sur la face du tiroir principal engendre
une force qui pousse ce dernier et le maintien en position agrave voies parallegraveles ou en position agrave
voies croiseacutees En alternant entre la position agrave voies parallegraveles et la position agrave voies croiseacutees le
sens de lrsquoeacutecoulement du fluide dans le veacuterin change et donc le sens de lrsquoapplication de la force
Par ailleurs lorsque les deux soleacutenoiumldes du distributeur ne sont plus alimenteacutes par un courant
eacutelectrique le tiroir principal revient agrave sa position de repos gracircce agrave la pousseacutee du ressort de
rappel Puisqursquoil srsquoagit de distributeurs agrave centre fermeacute lrsquohuile ne peut alors plus circuler dans
les distributeurs et ecirctre achemineacutee dans les veacuterins
Figure 18 Les trois positions des distributeurs
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Leacutegende
T Orifice du reacuteservoir
P Orifice de la pompe
A amp B Admission et refoulement
1 Tiroir
2 Corps de valve
3 Ressort de rappel
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute
Figure 20 Photos des 3 distributeurs
Marque Numeacutero de seacuterie Tension
(V)
Deacutebit
max
(GPM)
Pression admissible
(PSI)
HY-
SPEC
HYSFW-02-3C2-
B110-Z5L-50
24 DC 9 4750
(Orifice A B P)
2320
(Orifice T)
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La commande des distributeurs
Actuellement lrsquoalimentation des soleacutenoiumldes en courant se fait via deux manettes de controcircle
On retrouve sur ces manettes au total 6 boutons qui permettent lrsquoactivation de chacun des
soleacutenoiumldes Le soleacutenoiumlde demeure alimenteacute tant que lrsquoopeacuterateur exerce une pression sur le
bouton Eacutevidemment ces manettes deviendront inutiles lorsque les soleacutenoiumldes seront alimenteacutes
par lrsquoautomate programmable dans la solution finale
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle
Marque Numeacutero de seacuterie Nombre de boutons
HY-SPEC
HYST90009-3P 2
HYST90012-3P 4
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle
Figure 22 Boicircte de conversion7 entre la manette et le distributeur
7 Aucune speacutecification nrsquoest disponible pour la boicircte de conversion des manettes de controcircle
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3416 Limiteurs de deacutebit
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit
Les limiteurs de deacutebit permettent de controcircler les deacutebits drsquoalimentation des veacuterins et par ce fait
les vitesses de sortie et de rentreacutee des tiges des deux veacuterins Pour y arriver ces valves reacutegulent
le deacutebit du fluide en diminuant la section de lrsquoouverture emprunteacutee par celui-ci Le deacutebit est
proportionnel agrave cette ouverture et agrave la racine carreacutee de la perte de charge Sur le banc drsquoessai on
retrouve 2 eacutetrangleurs reacuteglables agrave pointeau par veacuterin Lrsquoeacutetrangleur agrave pointeau est coupleacute dans le
mecircme corps de la valve avec un clapet de retenue avec ressort8 pour que le deacutebit ne soit limiteacute
que dans un seul sens de lrsquoeacutecoulement
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort
Marque Numeacutero de seacuterie Type
Vickers DGMFN-3-Y-A2W-B2W-41 Port double
8 Il y a ouverture du clapet si la pression drsquoentreacutee est supeacuterieure agrave la somme de la pression de sortie et de la pression du ressort
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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34 La conception de la solution recommandeacutee
341 Eacutetude du systegraveme hydraulique existant
La preacutesente section est une eacutetude plus deacutetailleacutee portant sur les principales composantes dont est
constitueacute le banc drsquoessai actuel Lrsquoeacutetude comporte une analyse de leurs caracteacuteristiques
principales et de leurs modes de fonctionnements On y preacutesente eacutegalement les symboles
graphiques de ces composantes Cette eacutetude est une eacutetape primordiale pour pouvoir bien choisir
les nouveaux eacutequipements et concevoir le circuit hydraulique de la solution finale
3411 Ensemble pompe-moteur-reacuteservoir
Comme dans les tous systegravemes hydrauliques le banc drsquoessai dispose drsquoun ensemble pompe-
moteur-reacuteservoir La pompe transforme lrsquoeacutenergie meacutecanique fournie par le moteur eacutelectrique
rotatif en eacutenergie fluide La pompe deacutemarre degraves qursquoon branche le moteur eacutelectrique agrave la prise de
courant Vous retrouverez ci-dessous les speacutecifications de ces composantes et une photo prise
sur place de lrsquoensemble
Moteur eacutelectrique AC
Figure 11 Repreacutesentation scheacutematique du moteur eacutelectrique AC
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Tableau 6 Speacutecifications du moteur eacutelectrique
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Puissance
(HP)
Voltage
(V)
Vitesse
(RPM)
HY-SPEC MFG03 HYSW850203-1G 1 110220 1800
Pompe
Tableau 7 Speacutecifications de la pompe (supposition5)
Marque Deacutebit max
(GPM)
Pression max
(PSI)
Cylindreacutee
(cm3tr)
Inconnu 18 3200 PSI 4
Reacuteservoir
Figure 12 Repreacutesentation scheacutematique du reacuteservoir
5 Le deacutebit et la pression pouvant ecirctre fournie par la pompe sont des informations qui ont eacuteteacute fournies par
lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai mais qui ne sont pas veacuterifiables
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Tableau 8 Speacutecifications du reacuteservoir
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Volume
(L)
HY-SPEC V120 HYSW880117 12
Figure 13 Photo de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir
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3412 Bloc Manifold (bloc foreacute)
Un bloc manifold est un bloc de meacutetal avec plusieurs canaux inteacutegreacute conccedilu pour la conduite de
fluide dans des espaces confineacutes On retrouve sur le bloc des caviteacutes dans lesquelles on peut
installer diffeacuterentes composantes hydrauliques (valves manomegravetres tuyau etc)
Tableau 9 Speacutecifications du bloc manifold
Marque Numeacutero de
seacuterie
Description Nombre
de
sections
Ports Orifice
de
seacutecuriteacute
Pression
drsquoopeacuteration
maximale
(PSI)
HY-
SPEC
HYSDD03-
P-03-2SS
Type D03
Circuit
parallegravele
3 P amp T = SAE 10
A amp B = SAE 8
GA = SAE 6
T-10A 5000
Figure 14 Photo du bloc manifold
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3413 Veacuterins
Les 2 veacuterins hydrauliques utiliseacutes dans le banc drsquoessai sont des veacuterins agrave mouvement lineacuteaire et agrave
double effet (deux directions de travail) qui convertissent lrsquoeacutenergie fluide en eacutenergie
meacutecanique Chaque veacuterin est composeacute drsquoun tube cylindrique (le cylindre) dans lequel est
inseacutereacutee une piegravece mobile (le corps du piston) qui assure lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre deux chambres La
tige rigide qui est relieacutee au corps du piston sert agrave transmettre lrsquoeffort et le deacuteplacement Les
veacuterins comportent deux orifices (alimentation et refoulement) et la pression peut ecirctre appliqueacutee
de chaque cocircteacute du piston pour entraicircner son deacuteplacement dans un sens ou dans lautre Ce sont
les distributeurs qui permettent drsquointervertir les rocircles des deux orifices pour controcircler la
direction de la tige
Par ailleurs il peut y avoir des fuites volumeacutetriques internes et externes dans les veacuterins et qui
sont indeacutesirables car elles reacuteduisent la dureacutee de vie et le rendement des veacuterins La fuite interne
est en fait un eacutecoulement de lrsquohuile de la chambre agrave haute pression vers la chambre agrave basse
pression qui est due au jeu entre le corps du piston et la paroi interne du cylindre Il peut
eacutegalement y avoir une fuite externe due au jeu entre la tige du piston et la tecircte du cylindre Pour
reacuteduire ces fuites on installe des joints drsquoeacutetancheacuteiteacutes sur le corps du piston et sur la tecircte du
cylindre
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees)
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Leacutegende
1 Cylindre 5 Chambre de refoulement
2 Piston A Orifice drsquoadmission
3 Tige R Orifice de refoulement
4 Chambre drsquoadmission
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin
La principale caracteacuteristique des veacuterins est lrsquoaire effective sur laquelle le fluide exerce une
pression Les aires effectives du corps du piston (cocircteacute fond du veacuterin et cocircteacute tecircte du veacuterin) sont
diffeacuterentes agrave cause de la preacutesence de la tige sur une seule face du corps du piston Par
conseacutequent pour des mecircmes pressions drsquoadmission la force de contraction est plus faible que
la force drsquoextension Les eacutequations ci-dessous servent agrave convertir les forces (lb) en pression
(psi) selon le sens drsquoapplication du veacuterin
Calcul pour la conversion force-pression
Diamegravetre du piston6 25 po
Diamegravetre de la tige 15 po
lowast egrave
4lowast 25po
449087
lowast egrave
4lowast 15po
417671
ocirc eacute ecirc eacute
ocirc eacute eacute
6 Bore est le terme eacutequivalent du corps du piston
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Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins
Marque Numeacutero de seacuterie Type drsquoorifices Poids
(livres)
Pression
maximale
(pouce)
HY-SPEC HYS 25FEM24-NW SAE-8 40 3000 PSI
3414 Manomegravetre
Actuellement les pressions exerceacutees dans le bloc manifold et dans chaque chambre des veacuterins
sont mesureacutees agrave lrsquoaide de manomegravetre agrave glyceacuterine
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine
Marque Numeacutero de seacuterie Localisation Diamegravetre
(pouce)
Connexion Eacutechelle du
cadran
(PSI)
HY-
SPEC
HYSG22LXB3000PSI-
14NPT
Bloc
manifold
25
frac14 NPT
0 agrave 3000
HY-
SPEC
HYSG22LXB5000PSI-
14NPT
2 par veacuterin 0 agrave 5000
G
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold
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3415 Les distributeurs
Dans le systegraveme hydraulique les distributeurs (valves de distribution) sont les composantes
actives (modulateurs) qui permettent la distribution du flux drsquoeacutenergie vers les 2 veacuterins
(reacutecepteurs) pour les libeacuterer les arrecircter ou les reacutetracter Sur les trois distributeurs installeacutes sur le
banc drsquoessai seuls 2 drsquoentre eux sont utiliseacutes Le troisiegraveme distributeur a eacuteteacute installeacute au cas ougrave
un troisiegraveme veacuterin serait neacutecessaire pour reacutealiser des tests futurs drsquoapregraves lrsquoopeacuterateur du banc
drsquoessai Il srsquoagit de distributeurs agrave tiroir (de type coulissant) agrave quatre orifices et agrave trois positions
agrave action piloteacutee agrave commande eacutelectrique par soleacutenoiumldes et agrave centrage par ressort de rappel
En alimentant lrsquoun des deux soleacutenoiumldes avec un courant eacutelectrique le tiroir du distributeur se
deacuteplace et lrsquohuile circule par des canaux internes de la valve vers lrsquoune des extreacutemiteacutes du tiroir
principal pendant que lrsquoautre extreacutemiteacute de ce tiroir est raccordeacutee au reacuteservoir du systegraveme par
lrsquoaction du distributeur pilote La pression qui srsquoexerce sur la face du tiroir principal engendre
une force qui pousse ce dernier et le maintien en position agrave voies parallegraveles ou en position agrave
voies croiseacutees En alternant entre la position agrave voies parallegraveles et la position agrave voies croiseacutees le
sens de lrsquoeacutecoulement du fluide dans le veacuterin change et donc le sens de lrsquoapplication de la force
Par ailleurs lorsque les deux soleacutenoiumldes du distributeur ne sont plus alimenteacutes par un courant
eacutelectrique le tiroir principal revient agrave sa position de repos gracircce agrave la pousseacutee du ressort de
rappel Puisqursquoil srsquoagit de distributeurs agrave centre fermeacute lrsquohuile ne peut alors plus circuler dans
les distributeurs et ecirctre achemineacutee dans les veacuterins
Figure 18 Les trois positions des distributeurs
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Leacutegende
T Orifice du reacuteservoir
P Orifice de la pompe
A amp B Admission et refoulement
1 Tiroir
2 Corps de valve
3 Ressort de rappel
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute
Figure 20 Photos des 3 distributeurs
Marque Numeacutero de seacuterie Tension
(V)
Deacutebit
max
(GPM)
Pression admissible
(PSI)
HY-
SPEC
HYSFW-02-3C2-
B110-Z5L-50
24 DC 9 4750
(Orifice A B P)
2320
(Orifice T)
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La commande des distributeurs
Actuellement lrsquoalimentation des soleacutenoiumldes en courant se fait via deux manettes de controcircle
On retrouve sur ces manettes au total 6 boutons qui permettent lrsquoactivation de chacun des
soleacutenoiumldes Le soleacutenoiumlde demeure alimenteacute tant que lrsquoopeacuterateur exerce une pression sur le
bouton Eacutevidemment ces manettes deviendront inutiles lorsque les soleacutenoiumldes seront alimenteacutes
par lrsquoautomate programmable dans la solution finale
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle
Marque Numeacutero de seacuterie Nombre de boutons
HY-SPEC
HYST90009-3P 2
HYST90012-3P 4
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle
Figure 22 Boicircte de conversion7 entre la manette et le distributeur
7 Aucune speacutecification nrsquoest disponible pour la boicircte de conversion des manettes de controcircle
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3416 Limiteurs de deacutebit
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit
Les limiteurs de deacutebit permettent de controcircler les deacutebits drsquoalimentation des veacuterins et par ce fait
les vitesses de sortie et de rentreacutee des tiges des deux veacuterins Pour y arriver ces valves reacutegulent
le deacutebit du fluide en diminuant la section de lrsquoouverture emprunteacutee par celui-ci Le deacutebit est
proportionnel agrave cette ouverture et agrave la racine carreacutee de la perte de charge Sur le banc drsquoessai on
retrouve 2 eacutetrangleurs reacuteglables agrave pointeau par veacuterin Lrsquoeacutetrangleur agrave pointeau est coupleacute dans le
mecircme corps de la valve avec un clapet de retenue avec ressort8 pour que le deacutebit ne soit limiteacute
que dans un seul sens de lrsquoeacutecoulement
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort
Marque Numeacutero de seacuterie Type
Vickers DGMFN-3-Y-A2W-B2W-41 Port double
8 Il y a ouverture du clapet si la pression drsquoentreacutee est supeacuterieure agrave la somme de la pression de sortie et de la pression du ressort
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
Vinc
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Tableau 6 Speacutecifications du moteur eacutelectrique
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Puissance
(HP)
Voltage
(V)
Vitesse
(RPM)
HY-SPEC MFG03 HYSW850203-1G 1 110220 1800
Pompe
Tableau 7 Speacutecifications de la pompe (supposition5)
Marque Deacutebit max
(GPM)
Pression max
(PSI)
Cylindreacutee
(cm3tr)
Inconnu 18 3200 PSI 4
Reacuteservoir
Figure 12 Repreacutesentation scheacutematique du reacuteservoir
5 Le deacutebit et la pression pouvant ecirctre fournie par la pompe sont des informations qui ont eacuteteacute fournies par
lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai mais qui ne sont pas veacuterifiables
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Tableau 8 Speacutecifications du reacuteservoir
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Volume
(L)
HY-SPEC V120 HYSW880117 12
Figure 13 Photo de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3412 Bloc Manifold (bloc foreacute)
Un bloc manifold est un bloc de meacutetal avec plusieurs canaux inteacutegreacute conccedilu pour la conduite de
fluide dans des espaces confineacutes On retrouve sur le bloc des caviteacutes dans lesquelles on peut
installer diffeacuterentes composantes hydrauliques (valves manomegravetres tuyau etc)
Tableau 9 Speacutecifications du bloc manifold
Marque Numeacutero de
seacuterie
Description Nombre
de
sections
Ports Orifice
de
seacutecuriteacute
Pression
drsquoopeacuteration
maximale
(PSI)
HY-
SPEC
HYSDD03-
P-03-2SS
Type D03
Circuit
parallegravele
3 P amp T = SAE 10
A amp B = SAE 8
GA = SAE 6
T-10A 5000
Figure 14 Photo du bloc manifold
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3413 Veacuterins
Les 2 veacuterins hydrauliques utiliseacutes dans le banc drsquoessai sont des veacuterins agrave mouvement lineacuteaire et agrave
double effet (deux directions de travail) qui convertissent lrsquoeacutenergie fluide en eacutenergie
meacutecanique Chaque veacuterin est composeacute drsquoun tube cylindrique (le cylindre) dans lequel est
inseacutereacutee une piegravece mobile (le corps du piston) qui assure lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre deux chambres La
tige rigide qui est relieacutee au corps du piston sert agrave transmettre lrsquoeffort et le deacuteplacement Les
veacuterins comportent deux orifices (alimentation et refoulement) et la pression peut ecirctre appliqueacutee
de chaque cocircteacute du piston pour entraicircner son deacuteplacement dans un sens ou dans lautre Ce sont
les distributeurs qui permettent drsquointervertir les rocircles des deux orifices pour controcircler la
direction de la tige
Par ailleurs il peut y avoir des fuites volumeacutetriques internes et externes dans les veacuterins et qui
sont indeacutesirables car elles reacuteduisent la dureacutee de vie et le rendement des veacuterins La fuite interne
est en fait un eacutecoulement de lrsquohuile de la chambre agrave haute pression vers la chambre agrave basse
pression qui est due au jeu entre le corps du piston et la paroi interne du cylindre Il peut
eacutegalement y avoir une fuite externe due au jeu entre la tige du piston et la tecircte du cylindre Pour
reacuteduire ces fuites on installe des joints drsquoeacutetancheacuteiteacutes sur le corps du piston et sur la tecircte du
cylindre
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees)
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Leacutegende
1 Cylindre 5 Chambre de refoulement
2 Piston A Orifice drsquoadmission
3 Tige R Orifice de refoulement
4 Chambre drsquoadmission
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin
La principale caracteacuteristique des veacuterins est lrsquoaire effective sur laquelle le fluide exerce une
pression Les aires effectives du corps du piston (cocircteacute fond du veacuterin et cocircteacute tecircte du veacuterin) sont
diffeacuterentes agrave cause de la preacutesence de la tige sur une seule face du corps du piston Par
conseacutequent pour des mecircmes pressions drsquoadmission la force de contraction est plus faible que
la force drsquoextension Les eacutequations ci-dessous servent agrave convertir les forces (lb) en pression
(psi) selon le sens drsquoapplication du veacuterin
Calcul pour la conversion force-pression
Diamegravetre du piston6 25 po
Diamegravetre de la tige 15 po
lowast egrave
4lowast 25po
449087
lowast egrave
4lowast 15po
417671
ocirc eacute ecirc eacute
ocirc eacute eacute
6 Bore est le terme eacutequivalent du corps du piston
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins
Marque Numeacutero de seacuterie Type drsquoorifices Poids
(livres)
Pression
maximale
(pouce)
HY-SPEC HYS 25FEM24-NW SAE-8 40 3000 PSI
3414 Manomegravetre
Actuellement les pressions exerceacutees dans le bloc manifold et dans chaque chambre des veacuterins
sont mesureacutees agrave lrsquoaide de manomegravetre agrave glyceacuterine
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine
Marque Numeacutero de seacuterie Localisation Diamegravetre
(pouce)
Connexion Eacutechelle du
cadran
(PSI)
HY-
SPEC
HYSG22LXB3000PSI-
14NPT
Bloc
manifold
25
frac14 NPT
0 agrave 3000
HY-
SPEC
HYSG22LXB5000PSI-
14NPT
2 par veacuterin 0 agrave 5000
G
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3415 Les distributeurs
Dans le systegraveme hydraulique les distributeurs (valves de distribution) sont les composantes
actives (modulateurs) qui permettent la distribution du flux drsquoeacutenergie vers les 2 veacuterins
(reacutecepteurs) pour les libeacuterer les arrecircter ou les reacutetracter Sur les trois distributeurs installeacutes sur le
banc drsquoessai seuls 2 drsquoentre eux sont utiliseacutes Le troisiegraveme distributeur a eacuteteacute installeacute au cas ougrave
un troisiegraveme veacuterin serait neacutecessaire pour reacutealiser des tests futurs drsquoapregraves lrsquoopeacuterateur du banc
drsquoessai Il srsquoagit de distributeurs agrave tiroir (de type coulissant) agrave quatre orifices et agrave trois positions
agrave action piloteacutee agrave commande eacutelectrique par soleacutenoiumldes et agrave centrage par ressort de rappel
En alimentant lrsquoun des deux soleacutenoiumldes avec un courant eacutelectrique le tiroir du distributeur se
deacuteplace et lrsquohuile circule par des canaux internes de la valve vers lrsquoune des extreacutemiteacutes du tiroir
principal pendant que lrsquoautre extreacutemiteacute de ce tiroir est raccordeacutee au reacuteservoir du systegraveme par
lrsquoaction du distributeur pilote La pression qui srsquoexerce sur la face du tiroir principal engendre
une force qui pousse ce dernier et le maintien en position agrave voies parallegraveles ou en position agrave
voies croiseacutees En alternant entre la position agrave voies parallegraveles et la position agrave voies croiseacutees le
sens de lrsquoeacutecoulement du fluide dans le veacuterin change et donc le sens de lrsquoapplication de la force
Par ailleurs lorsque les deux soleacutenoiumldes du distributeur ne sont plus alimenteacutes par un courant
eacutelectrique le tiroir principal revient agrave sa position de repos gracircce agrave la pousseacutee du ressort de
rappel Puisqursquoil srsquoagit de distributeurs agrave centre fermeacute lrsquohuile ne peut alors plus circuler dans
les distributeurs et ecirctre achemineacutee dans les veacuterins
Figure 18 Les trois positions des distributeurs
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Leacutegende
T Orifice du reacuteservoir
P Orifice de la pompe
A amp B Admission et refoulement
1 Tiroir
2 Corps de valve
3 Ressort de rappel
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute
Figure 20 Photos des 3 distributeurs
Marque Numeacutero de seacuterie Tension
(V)
Deacutebit
max
(GPM)
Pression admissible
(PSI)
HY-
SPEC
HYSFW-02-3C2-
B110-Z5L-50
24 DC 9 4750
(Orifice A B P)
2320
(Orifice T)
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La commande des distributeurs
Actuellement lrsquoalimentation des soleacutenoiumldes en courant se fait via deux manettes de controcircle
On retrouve sur ces manettes au total 6 boutons qui permettent lrsquoactivation de chacun des
soleacutenoiumldes Le soleacutenoiumlde demeure alimenteacute tant que lrsquoopeacuterateur exerce une pression sur le
bouton Eacutevidemment ces manettes deviendront inutiles lorsque les soleacutenoiumldes seront alimenteacutes
par lrsquoautomate programmable dans la solution finale
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle
Marque Numeacutero de seacuterie Nombre de boutons
HY-SPEC
HYST90009-3P 2
HYST90012-3P 4
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle
Figure 22 Boicircte de conversion7 entre la manette et le distributeur
7 Aucune speacutecification nrsquoest disponible pour la boicircte de conversion des manettes de controcircle
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3416 Limiteurs de deacutebit
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit
Les limiteurs de deacutebit permettent de controcircler les deacutebits drsquoalimentation des veacuterins et par ce fait
les vitesses de sortie et de rentreacutee des tiges des deux veacuterins Pour y arriver ces valves reacutegulent
le deacutebit du fluide en diminuant la section de lrsquoouverture emprunteacutee par celui-ci Le deacutebit est
proportionnel agrave cette ouverture et agrave la racine carreacutee de la perte de charge Sur le banc drsquoessai on
retrouve 2 eacutetrangleurs reacuteglables agrave pointeau par veacuterin Lrsquoeacutetrangleur agrave pointeau est coupleacute dans le
mecircme corps de la valve avec un clapet de retenue avec ressort8 pour que le deacutebit ne soit limiteacute
que dans un seul sens de lrsquoeacutecoulement
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort
Marque Numeacutero de seacuterie Type
Vickers DGMFN-3-Y-A2W-B2W-41 Port double
8 Il y a ouverture du clapet si la pression drsquoentreacutee est supeacuterieure agrave la somme de la pression de sortie et de la pression du ressort
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
Vinc
342
Parm
press
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342
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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Tableau 8 Speacutecifications du reacuteservoir
Marque Code de
reacutefeacuterence
Numeacutero de seacuterie Volume
(L)
HY-SPEC V120 HYSW880117 12
Figure 13 Photo de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir
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3412 Bloc Manifold (bloc foreacute)
Un bloc manifold est un bloc de meacutetal avec plusieurs canaux inteacutegreacute conccedilu pour la conduite de
fluide dans des espaces confineacutes On retrouve sur le bloc des caviteacutes dans lesquelles on peut
installer diffeacuterentes composantes hydrauliques (valves manomegravetres tuyau etc)
Tableau 9 Speacutecifications du bloc manifold
Marque Numeacutero de
seacuterie
Description Nombre
de
sections
Ports Orifice
de
seacutecuriteacute
Pression
drsquoopeacuteration
maximale
(PSI)
HY-
SPEC
HYSDD03-
P-03-2SS
Type D03
Circuit
parallegravele
3 P amp T = SAE 10
A amp B = SAE 8
GA = SAE 6
T-10A 5000
Figure 14 Photo du bloc manifold
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3413 Veacuterins
Les 2 veacuterins hydrauliques utiliseacutes dans le banc drsquoessai sont des veacuterins agrave mouvement lineacuteaire et agrave
double effet (deux directions de travail) qui convertissent lrsquoeacutenergie fluide en eacutenergie
meacutecanique Chaque veacuterin est composeacute drsquoun tube cylindrique (le cylindre) dans lequel est
inseacutereacutee une piegravece mobile (le corps du piston) qui assure lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre deux chambres La
tige rigide qui est relieacutee au corps du piston sert agrave transmettre lrsquoeffort et le deacuteplacement Les
veacuterins comportent deux orifices (alimentation et refoulement) et la pression peut ecirctre appliqueacutee
de chaque cocircteacute du piston pour entraicircner son deacuteplacement dans un sens ou dans lautre Ce sont
les distributeurs qui permettent drsquointervertir les rocircles des deux orifices pour controcircler la
direction de la tige
Par ailleurs il peut y avoir des fuites volumeacutetriques internes et externes dans les veacuterins et qui
sont indeacutesirables car elles reacuteduisent la dureacutee de vie et le rendement des veacuterins La fuite interne
est en fait un eacutecoulement de lrsquohuile de la chambre agrave haute pression vers la chambre agrave basse
pression qui est due au jeu entre le corps du piston et la paroi interne du cylindre Il peut
eacutegalement y avoir une fuite externe due au jeu entre la tige du piston et la tecircte du cylindre Pour
reacuteduire ces fuites on installe des joints drsquoeacutetancheacuteiteacutes sur le corps du piston et sur la tecircte du
cylindre
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees)
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Leacutegende
1 Cylindre 5 Chambre de refoulement
2 Piston A Orifice drsquoadmission
3 Tige R Orifice de refoulement
4 Chambre drsquoadmission
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin
La principale caracteacuteristique des veacuterins est lrsquoaire effective sur laquelle le fluide exerce une
pression Les aires effectives du corps du piston (cocircteacute fond du veacuterin et cocircteacute tecircte du veacuterin) sont
diffeacuterentes agrave cause de la preacutesence de la tige sur une seule face du corps du piston Par
conseacutequent pour des mecircmes pressions drsquoadmission la force de contraction est plus faible que
la force drsquoextension Les eacutequations ci-dessous servent agrave convertir les forces (lb) en pression
(psi) selon le sens drsquoapplication du veacuterin
Calcul pour la conversion force-pression
Diamegravetre du piston6 25 po
Diamegravetre de la tige 15 po
lowast egrave
4lowast 25po
449087
lowast egrave
4lowast 15po
417671
ocirc eacute ecirc eacute
ocirc eacute eacute
6 Bore est le terme eacutequivalent du corps du piston
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Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins
Marque Numeacutero de seacuterie Type drsquoorifices Poids
(livres)
Pression
maximale
(pouce)
HY-SPEC HYS 25FEM24-NW SAE-8 40 3000 PSI
3414 Manomegravetre
Actuellement les pressions exerceacutees dans le bloc manifold et dans chaque chambre des veacuterins
sont mesureacutees agrave lrsquoaide de manomegravetre agrave glyceacuterine
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine
Marque Numeacutero de seacuterie Localisation Diamegravetre
(pouce)
Connexion Eacutechelle du
cadran
(PSI)
HY-
SPEC
HYSG22LXB3000PSI-
14NPT
Bloc
manifold
25
frac14 NPT
0 agrave 3000
HY-
SPEC
HYSG22LXB5000PSI-
14NPT
2 par veacuterin 0 agrave 5000
G
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 37
3415 Les distributeurs
Dans le systegraveme hydraulique les distributeurs (valves de distribution) sont les composantes
actives (modulateurs) qui permettent la distribution du flux drsquoeacutenergie vers les 2 veacuterins
(reacutecepteurs) pour les libeacuterer les arrecircter ou les reacutetracter Sur les trois distributeurs installeacutes sur le
banc drsquoessai seuls 2 drsquoentre eux sont utiliseacutes Le troisiegraveme distributeur a eacuteteacute installeacute au cas ougrave
un troisiegraveme veacuterin serait neacutecessaire pour reacutealiser des tests futurs drsquoapregraves lrsquoopeacuterateur du banc
drsquoessai Il srsquoagit de distributeurs agrave tiroir (de type coulissant) agrave quatre orifices et agrave trois positions
agrave action piloteacutee agrave commande eacutelectrique par soleacutenoiumldes et agrave centrage par ressort de rappel
En alimentant lrsquoun des deux soleacutenoiumldes avec un courant eacutelectrique le tiroir du distributeur se
deacuteplace et lrsquohuile circule par des canaux internes de la valve vers lrsquoune des extreacutemiteacutes du tiroir
principal pendant que lrsquoautre extreacutemiteacute de ce tiroir est raccordeacutee au reacuteservoir du systegraveme par
lrsquoaction du distributeur pilote La pression qui srsquoexerce sur la face du tiroir principal engendre
une force qui pousse ce dernier et le maintien en position agrave voies parallegraveles ou en position agrave
voies croiseacutees En alternant entre la position agrave voies parallegraveles et la position agrave voies croiseacutees le
sens de lrsquoeacutecoulement du fluide dans le veacuterin change et donc le sens de lrsquoapplication de la force
Par ailleurs lorsque les deux soleacutenoiumldes du distributeur ne sont plus alimenteacutes par un courant
eacutelectrique le tiroir principal revient agrave sa position de repos gracircce agrave la pousseacutee du ressort de
rappel Puisqursquoil srsquoagit de distributeurs agrave centre fermeacute lrsquohuile ne peut alors plus circuler dans
les distributeurs et ecirctre achemineacutee dans les veacuterins
Figure 18 Les trois positions des distributeurs
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Leacutegende
T Orifice du reacuteservoir
P Orifice de la pompe
A amp B Admission et refoulement
1 Tiroir
2 Corps de valve
3 Ressort de rappel
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute
Figure 20 Photos des 3 distributeurs
Marque Numeacutero de seacuterie Tension
(V)
Deacutebit
max
(GPM)
Pression admissible
(PSI)
HY-
SPEC
HYSFW-02-3C2-
B110-Z5L-50
24 DC 9 4750
(Orifice A B P)
2320
(Orifice T)
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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La commande des distributeurs
Actuellement lrsquoalimentation des soleacutenoiumldes en courant se fait via deux manettes de controcircle
On retrouve sur ces manettes au total 6 boutons qui permettent lrsquoactivation de chacun des
soleacutenoiumldes Le soleacutenoiumlde demeure alimenteacute tant que lrsquoopeacuterateur exerce une pression sur le
bouton Eacutevidemment ces manettes deviendront inutiles lorsque les soleacutenoiumldes seront alimenteacutes
par lrsquoautomate programmable dans la solution finale
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle
Marque Numeacutero de seacuterie Nombre de boutons
HY-SPEC
HYST90009-3P 2
HYST90012-3P 4
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle
Figure 22 Boicircte de conversion7 entre la manette et le distributeur
7 Aucune speacutecification nrsquoest disponible pour la boicircte de conversion des manettes de controcircle
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3416 Limiteurs de deacutebit
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit
Les limiteurs de deacutebit permettent de controcircler les deacutebits drsquoalimentation des veacuterins et par ce fait
les vitesses de sortie et de rentreacutee des tiges des deux veacuterins Pour y arriver ces valves reacutegulent
le deacutebit du fluide en diminuant la section de lrsquoouverture emprunteacutee par celui-ci Le deacutebit est
proportionnel agrave cette ouverture et agrave la racine carreacutee de la perte de charge Sur le banc drsquoessai on
retrouve 2 eacutetrangleurs reacuteglables agrave pointeau par veacuterin Lrsquoeacutetrangleur agrave pointeau est coupleacute dans le
mecircme corps de la valve avec un clapet de retenue avec ressort8 pour que le deacutebit ne soit limiteacute
que dans un seul sens de lrsquoeacutecoulement
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort
Marque Numeacutero de seacuterie Type
Vickers DGMFN-3-Y-A2W-B2W-41 Port double
8 Il y a ouverture du clapet si la pression drsquoentreacutee est supeacuterieure agrave la somme de la pression de sortie et de la pression du ressort
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
Vinc
342
Parm
press
systegrave
man
(man
digit
drsquoen
eacutequi
342
Le f
le m
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12 Le860 mpress
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2 Choix des
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Figur
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CMVSS
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47
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tibiliteacute et
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200 mA agrave miteurs de
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 48
srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 53
Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 55
5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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3412 Bloc Manifold (bloc foreacute)
Un bloc manifold est un bloc de meacutetal avec plusieurs canaux inteacutegreacute conccedilu pour la conduite de
fluide dans des espaces confineacutes On retrouve sur le bloc des caviteacutes dans lesquelles on peut
installer diffeacuterentes composantes hydrauliques (valves manomegravetres tuyau etc)
Tableau 9 Speacutecifications du bloc manifold
Marque Numeacutero de
seacuterie
Description Nombre
de
sections
Ports Orifice
de
seacutecuriteacute
Pression
drsquoopeacuteration
maximale
(PSI)
HY-
SPEC
HYSDD03-
P-03-2SS
Type D03
Circuit
parallegravele
3 P amp T = SAE 10
A amp B = SAE 8
GA = SAE 6
T-10A 5000
Figure 14 Photo du bloc manifold
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3413 Veacuterins
Les 2 veacuterins hydrauliques utiliseacutes dans le banc drsquoessai sont des veacuterins agrave mouvement lineacuteaire et agrave
double effet (deux directions de travail) qui convertissent lrsquoeacutenergie fluide en eacutenergie
meacutecanique Chaque veacuterin est composeacute drsquoun tube cylindrique (le cylindre) dans lequel est
inseacutereacutee une piegravece mobile (le corps du piston) qui assure lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre deux chambres La
tige rigide qui est relieacutee au corps du piston sert agrave transmettre lrsquoeffort et le deacuteplacement Les
veacuterins comportent deux orifices (alimentation et refoulement) et la pression peut ecirctre appliqueacutee
de chaque cocircteacute du piston pour entraicircner son deacuteplacement dans un sens ou dans lautre Ce sont
les distributeurs qui permettent drsquointervertir les rocircles des deux orifices pour controcircler la
direction de la tige
Par ailleurs il peut y avoir des fuites volumeacutetriques internes et externes dans les veacuterins et qui
sont indeacutesirables car elles reacuteduisent la dureacutee de vie et le rendement des veacuterins La fuite interne
est en fait un eacutecoulement de lrsquohuile de la chambre agrave haute pression vers la chambre agrave basse
pression qui est due au jeu entre le corps du piston et la paroi interne du cylindre Il peut
eacutegalement y avoir une fuite externe due au jeu entre la tige du piston et la tecircte du cylindre Pour
reacuteduire ces fuites on installe des joints drsquoeacutetancheacuteiteacutes sur le corps du piston et sur la tecircte du
cylindre
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees)
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Leacutegende
1 Cylindre 5 Chambre de refoulement
2 Piston A Orifice drsquoadmission
3 Tige R Orifice de refoulement
4 Chambre drsquoadmission
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin
La principale caracteacuteristique des veacuterins est lrsquoaire effective sur laquelle le fluide exerce une
pression Les aires effectives du corps du piston (cocircteacute fond du veacuterin et cocircteacute tecircte du veacuterin) sont
diffeacuterentes agrave cause de la preacutesence de la tige sur une seule face du corps du piston Par
conseacutequent pour des mecircmes pressions drsquoadmission la force de contraction est plus faible que
la force drsquoextension Les eacutequations ci-dessous servent agrave convertir les forces (lb) en pression
(psi) selon le sens drsquoapplication du veacuterin
Calcul pour la conversion force-pression
Diamegravetre du piston6 25 po
Diamegravetre de la tige 15 po
lowast egrave
4lowast 25po
449087
lowast egrave
4lowast 15po
417671
ocirc eacute ecirc eacute
ocirc eacute eacute
6 Bore est le terme eacutequivalent du corps du piston
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Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins
Marque Numeacutero de seacuterie Type drsquoorifices Poids
(livres)
Pression
maximale
(pouce)
HY-SPEC HYS 25FEM24-NW SAE-8 40 3000 PSI
3414 Manomegravetre
Actuellement les pressions exerceacutees dans le bloc manifold et dans chaque chambre des veacuterins
sont mesureacutees agrave lrsquoaide de manomegravetre agrave glyceacuterine
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine
Marque Numeacutero de seacuterie Localisation Diamegravetre
(pouce)
Connexion Eacutechelle du
cadran
(PSI)
HY-
SPEC
HYSG22LXB3000PSI-
14NPT
Bloc
manifold
25
frac14 NPT
0 agrave 3000
HY-
SPEC
HYSG22LXB5000PSI-
14NPT
2 par veacuterin 0 agrave 5000
G
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold
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3415 Les distributeurs
Dans le systegraveme hydraulique les distributeurs (valves de distribution) sont les composantes
actives (modulateurs) qui permettent la distribution du flux drsquoeacutenergie vers les 2 veacuterins
(reacutecepteurs) pour les libeacuterer les arrecircter ou les reacutetracter Sur les trois distributeurs installeacutes sur le
banc drsquoessai seuls 2 drsquoentre eux sont utiliseacutes Le troisiegraveme distributeur a eacuteteacute installeacute au cas ougrave
un troisiegraveme veacuterin serait neacutecessaire pour reacutealiser des tests futurs drsquoapregraves lrsquoopeacuterateur du banc
drsquoessai Il srsquoagit de distributeurs agrave tiroir (de type coulissant) agrave quatre orifices et agrave trois positions
agrave action piloteacutee agrave commande eacutelectrique par soleacutenoiumldes et agrave centrage par ressort de rappel
En alimentant lrsquoun des deux soleacutenoiumldes avec un courant eacutelectrique le tiroir du distributeur se
deacuteplace et lrsquohuile circule par des canaux internes de la valve vers lrsquoune des extreacutemiteacutes du tiroir
principal pendant que lrsquoautre extreacutemiteacute de ce tiroir est raccordeacutee au reacuteservoir du systegraveme par
lrsquoaction du distributeur pilote La pression qui srsquoexerce sur la face du tiroir principal engendre
une force qui pousse ce dernier et le maintien en position agrave voies parallegraveles ou en position agrave
voies croiseacutees En alternant entre la position agrave voies parallegraveles et la position agrave voies croiseacutees le
sens de lrsquoeacutecoulement du fluide dans le veacuterin change et donc le sens de lrsquoapplication de la force
Par ailleurs lorsque les deux soleacutenoiumldes du distributeur ne sont plus alimenteacutes par un courant
eacutelectrique le tiroir principal revient agrave sa position de repos gracircce agrave la pousseacutee du ressort de
rappel Puisqursquoil srsquoagit de distributeurs agrave centre fermeacute lrsquohuile ne peut alors plus circuler dans
les distributeurs et ecirctre achemineacutee dans les veacuterins
Figure 18 Les trois positions des distributeurs
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Leacutegende
T Orifice du reacuteservoir
P Orifice de la pompe
A amp B Admission et refoulement
1 Tiroir
2 Corps de valve
3 Ressort de rappel
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute
Figure 20 Photos des 3 distributeurs
Marque Numeacutero de seacuterie Tension
(V)
Deacutebit
max
(GPM)
Pression admissible
(PSI)
HY-
SPEC
HYSFW-02-3C2-
B110-Z5L-50
24 DC 9 4750
(Orifice A B P)
2320
(Orifice T)
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La commande des distributeurs
Actuellement lrsquoalimentation des soleacutenoiumldes en courant se fait via deux manettes de controcircle
On retrouve sur ces manettes au total 6 boutons qui permettent lrsquoactivation de chacun des
soleacutenoiumldes Le soleacutenoiumlde demeure alimenteacute tant que lrsquoopeacuterateur exerce une pression sur le
bouton Eacutevidemment ces manettes deviendront inutiles lorsque les soleacutenoiumldes seront alimenteacutes
par lrsquoautomate programmable dans la solution finale
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle
Marque Numeacutero de seacuterie Nombre de boutons
HY-SPEC
HYST90009-3P 2
HYST90012-3P 4
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle
Figure 22 Boicircte de conversion7 entre la manette et le distributeur
7 Aucune speacutecification nrsquoest disponible pour la boicircte de conversion des manettes de controcircle
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3416 Limiteurs de deacutebit
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit
Les limiteurs de deacutebit permettent de controcircler les deacutebits drsquoalimentation des veacuterins et par ce fait
les vitesses de sortie et de rentreacutee des tiges des deux veacuterins Pour y arriver ces valves reacutegulent
le deacutebit du fluide en diminuant la section de lrsquoouverture emprunteacutee par celui-ci Le deacutebit est
proportionnel agrave cette ouverture et agrave la racine carreacutee de la perte de charge Sur le banc drsquoessai on
retrouve 2 eacutetrangleurs reacuteglables agrave pointeau par veacuterin Lrsquoeacutetrangleur agrave pointeau est coupleacute dans le
mecircme corps de la valve avec un clapet de retenue avec ressort8 pour que le deacutebit ne soit limiteacute
que dans un seul sens de lrsquoeacutecoulement
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort
Marque Numeacutero de seacuterie Type
Vickers DGMFN-3-Y-A2W-B2W-41 Port double
8 Il y a ouverture du clapet si la pression drsquoentreacutee est supeacuterieure agrave la somme de la pression de sortie et de la pression du ressort
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
Vinc
342
Parm
press
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342
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47
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200 mA agrave miteurs de
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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3413 Veacuterins
Les 2 veacuterins hydrauliques utiliseacutes dans le banc drsquoessai sont des veacuterins agrave mouvement lineacuteaire et agrave
double effet (deux directions de travail) qui convertissent lrsquoeacutenergie fluide en eacutenergie
meacutecanique Chaque veacuterin est composeacute drsquoun tube cylindrique (le cylindre) dans lequel est
inseacutereacutee une piegravece mobile (le corps du piston) qui assure lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre deux chambres La
tige rigide qui est relieacutee au corps du piston sert agrave transmettre lrsquoeffort et le deacuteplacement Les
veacuterins comportent deux orifices (alimentation et refoulement) et la pression peut ecirctre appliqueacutee
de chaque cocircteacute du piston pour entraicircner son deacuteplacement dans un sens ou dans lautre Ce sont
les distributeurs qui permettent drsquointervertir les rocircles des deux orifices pour controcircler la
direction de la tige
Par ailleurs il peut y avoir des fuites volumeacutetriques internes et externes dans les veacuterins et qui
sont indeacutesirables car elles reacuteduisent la dureacutee de vie et le rendement des veacuterins La fuite interne
est en fait un eacutecoulement de lrsquohuile de la chambre agrave haute pression vers la chambre agrave basse
pression qui est due au jeu entre le corps du piston et la paroi interne du cylindre Il peut
eacutegalement y avoir une fuite externe due au jeu entre la tige du piston et la tecircte du cylindre Pour
reacuteduire ces fuites on installe des joints drsquoeacutetancheacuteiteacutes sur le corps du piston et sur la tecircte du
cylindre
Figure 15 Photo des 2 veacuterins (non installeacutees)
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Leacutegende
1 Cylindre 5 Chambre de refoulement
2 Piston A Orifice drsquoadmission
3 Tige R Orifice de refoulement
4 Chambre drsquoadmission
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin
La principale caracteacuteristique des veacuterins est lrsquoaire effective sur laquelle le fluide exerce une
pression Les aires effectives du corps du piston (cocircteacute fond du veacuterin et cocircteacute tecircte du veacuterin) sont
diffeacuterentes agrave cause de la preacutesence de la tige sur une seule face du corps du piston Par
conseacutequent pour des mecircmes pressions drsquoadmission la force de contraction est plus faible que
la force drsquoextension Les eacutequations ci-dessous servent agrave convertir les forces (lb) en pression
(psi) selon le sens drsquoapplication du veacuterin
Calcul pour la conversion force-pression
Diamegravetre du piston6 25 po
Diamegravetre de la tige 15 po
lowast egrave
4lowast 25po
449087
lowast egrave
4lowast 15po
417671
ocirc eacute ecirc eacute
ocirc eacute eacute
6 Bore est le terme eacutequivalent du corps du piston
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Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins
Marque Numeacutero de seacuterie Type drsquoorifices Poids
(livres)
Pression
maximale
(pouce)
HY-SPEC HYS 25FEM24-NW SAE-8 40 3000 PSI
3414 Manomegravetre
Actuellement les pressions exerceacutees dans le bloc manifold et dans chaque chambre des veacuterins
sont mesureacutees agrave lrsquoaide de manomegravetre agrave glyceacuterine
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine
Marque Numeacutero de seacuterie Localisation Diamegravetre
(pouce)
Connexion Eacutechelle du
cadran
(PSI)
HY-
SPEC
HYSG22LXB3000PSI-
14NPT
Bloc
manifold
25
frac14 NPT
0 agrave 3000
HY-
SPEC
HYSG22LXB5000PSI-
14NPT
2 par veacuterin 0 agrave 5000
G
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold
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3415 Les distributeurs
Dans le systegraveme hydraulique les distributeurs (valves de distribution) sont les composantes
actives (modulateurs) qui permettent la distribution du flux drsquoeacutenergie vers les 2 veacuterins
(reacutecepteurs) pour les libeacuterer les arrecircter ou les reacutetracter Sur les trois distributeurs installeacutes sur le
banc drsquoessai seuls 2 drsquoentre eux sont utiliseacutes Le troisiegraveme distributeur a eacuteteacute installeacute au cas ougrave
un troisiegraveme veacuterin serait neacutecessaire pour reacutealiser des tests futurs drsquoapregraves lrsquoopeacuterateur du banc
drsquoessai Il srsquoagit de distributeurs agrave tiroir (de type coulissant) agrave quatre orifices et agrave trois positions
agrave action piloteacutee agrave commande eacutelectrique par soleacutenoiumldes et agrave centrage par ressort de rappel
En alimentant lrsquoun des deux soleacutenoiumldes avec un courant eacutelectrique le tiroir du distributeur se
deacuteplace et lrsquohuile circule par des canaux internes de la valve vers lrsquoune des extreacutemiteacutes du tiroir
principal pendant que lrsquoautre extreacutemiteacute de ce tiroir est raccordeacutee au reacuteservoir du systegraveme par
lrsquoaction du distributeur pilote La pression qui srsquoexerce sur la face du tiroir principal engendre
une force qui pousse ce dernier et le maintien en position agrave voies parallegraveles ou en position agrave
voies croiseacutees En alternant entre la position agrave voies parallegraveles et la position agrave voies croiseacutees le
sens de lrsquoeacutecoulement du fluide dans le veacuterin change et donc le sens de lrsquoapplication de la force
Par ailleurs lorsque les deux soleacutenoiumldes du distributeur ne sont plus alimenteacutes par un courant
eacutelectrique le tiroir principal revient agrave sa position de repos gracircce agrave la pousseacutee du ressort de
rappel Puisqursquoil srsquoagit de distributeurs agrave centre fermeacute lrsquohuile ne peut alors plus circuler dans
les distributeurs et ecirctre achemineacutee dans les veacuterins
Figure 18 Les trois positions des distributeurs
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Leacutegende
T Orifice du reacuteservoir
P Orifice de la pompe
A amp B Admission et refoulement
1 Tiroir
2 Corps de valve
3 Ressort de rappel
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute
Figure 20 Photos des 3 distributeurs
Marque Numeacutero de seacuterie Tension
(V)
Deacutebit
max
(GPM)
Pression admissible
(PSI)
HY-
SPEC
HYSFW-02-3C2-
B110-Z5L-50
24 DC 9 4750
(Orifice A B P)
2320
(Orifice T)
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La commande des distributeurs
Actuellement lrsquoalimentation des soleacutenoiumldes en courant se fait via deux manettes de controcircle
On retrouve sur ces manettes au total 6 boutons qui permettent lrsquoactivation de chacun des
soleacutenoiumldes Le soleacutenoiumlde demeure alimenteacute tant que lrsquoopeacuterateur exerce une pression sur le
bouton Eacutevidemment ces manettes deviendront inutiles lorsque les soleacutenoiumldes seront alimenteacutes
par lrsquoautomate programmable dans la solution finale
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle
Marque Numeacutero de seacuterie Nombre de boutons
HY-SPEC
HYST90009-3P 2
HYST90012-3P 4
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle
Figure 22 Boicircte de conversion7 entre la manette et le distributeur
7 Aucune speacutecification nrsquoest disponible pour la boicircte de conversion des manettes de controcircle
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3416 Limiteurs de deacutebit
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit
Les limiteurs de deacutebit permettent de controcircler les deacutebits drsquoalimentation des veacuterins et par ce fait
les vitesses de sortie et de rentreacutee des tiges des deux veacuterins Pour y arriver ces valves reacutegulent
le deacutebit du fluide en diminuant la section de lrsquoouverture emprunteacutee par celui-ci Le deacutebit est
proportionnel agrave cette ouverture et agrave la racine carreacutee de la perte de charge Sur le banc drsquoessai on
retrouve 2 eacutetrangleurs reacuteglables agrave pointeau par veacuterin Lrsquoeacutetrangleur agrave pointeau est coupleacute dans le
mecircme corps de la valve avec un clapet de retenue avec ressort8 pour que le deacutebit ne soit limiteacute
que dans un seul sens de lrsquoeacutecoulement
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort
Marque Numeacutero de seacuterie Type
Vickers DGMFN-3-Y-A2W-B2W-41 Port double
8 Il y a ouverture du clapet si la pression drsquoentreacutee est supeacuterieure agrave la somme de la pression de sortie et de la pression du ressort
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
Vinc
342
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PE
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Leacutegende
1 Cylindre 5 Chambre de refoulement
2 Piston A Orifice drsquoadmission
3 Tige R Orifice de refoulement
4 Chambre drsquoadmission
Figure 16 Repreacutesentation scheacutematique dun veacuterin
La principale caracteacuteristique des veacuterins est lrsquoaire effective sur laquelle le fluide exerce une
pression Les aires effectives du corps du piston (cocircteacute fond du veacuterin et cocircteacute tecircte du veacuterin) sont
diffeacuterentes agrave cause de la preacutesence de la tige sur une seule face du corps du piston Par
conseacutequent pour des mecircmes pressions drsquoadmission la force de contraction est plus faible que
la force drsquoextension Les eacutequations ci-dessous servent agrave convertir les forces (lb) en pression
(psi) selon le sens drsquoapplication du veacuterin
Calcul pour la conversion force-pression
Diamegravetre du piston6 25 po
Diamegravetre de la tige 15 po
lowast egrave
4lowast 25po
449087
lowast egrave
4lowast 15po
417671
ocirc eacute ecirc eacute
ocirc eacute eacute
6 Bore est le terme eacutequivalent du corps du piston
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins
Marque Numeacutero de seacuterie Type drsquoorifices Poids
(livres)
Pression
maximale
(pouce)
HY-SPEC HYS 25FEM24-NW SAE-8 40 3000 PSI
3414 Manomegravetre
Actuellement les pressions exerceacutees dans le bloc manifold et dans chaque chambre des veacuterins
sont mesureacutees agrave lrsquoaide de manomegravetre agrave glyceacuterine
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine
Marque Numeacutero de seacuterie Localisation Diamegravetre
(pouce)
Connexion Eacutechelle du
cadran
(PSI)
HY-
SPEC
HYSG22LXB3000PSI-
14NPT
Bloc
manifold
25
frac14 NPT
0 agrave 3000
HY-
SPEC
HYSG22LXB5000PSI-
14NPT
2 par veacuterin 0 agrave 5000
G
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3415 Les distributeurs
Dans le systegraveme hydraulique les distributeurs (valves de distribution) sont les composantes
actives (modulateurs) qui permettent la distribution du flux drsquoeacutenergie vers les 2 veacuterins
(reacutecepteurs) pour les libeacuterer les arrecircter ou les reacutetracter Sur les trois distributeurs installeacutes sur le
banc drsquoessai seuls 2 drsquoentre eux sont utiliseacutes Le troisiegraveme distributeur a eacuteteacute installeacute au cas ougrave
un troisiegraveme veacuterin serait neacutecessaire pour reacutealiser des tests futurs drsquoapregraves lrsquoopeacuterateur du banc
drsquoessai Il srsquoagit de distributeurs agrave tiroir (de type coulissant) agrave quatre orifices et agrave trois positions
agrave action piloteacutee agrave commande eacutelectrique par soleacutenoiumldes et agrave centrage par ressort de rappel
En alimentant lrsquoun des deux soleacutenoiumldes avec un courant eacutelectrique le tiroir du distributeur se
deacuteplace et lrsquohuile circule par des canaux internes de la valve vers lrsquoune des extreacutemiteacutes du tiroir
principal pendant que lrsquoautre extreacutemiteacute de ce tiroir est raccordeacutee au reacuteservoir du systegraveme par
lrsquoaction du distributeur pilote La pression qui srsquoexerce sur la face du tiroir principal engendre
une force qui pousse ce dernier et le maintien en position agrave voies parallegraveles ou en position agrave
voies croiseacutees En alternant entre la position agrave voies parallegraveles et la position agrave voies croiseacutees le
sens de lrsquoeacutecoulement du fluide dans le veacuterin change et donc le sens de lrsquoapplication de la force
Par ailleurs lorsque les deux soleacutenoiumldes du distributeur ne sont plus alimenteacutes par un courant
eacutelectrique le tiroir principal revient agrave sa position de repos gracircce agrave la pousseacutee du ressort de
rappel Puisqursquoil srsquoagit de distributeurs agrave centre fermeacute lrsquohuile ne peut alors plus circuler dans
les distributeurs et ecirctre achemineacutee dans les veacuterins
Figure 18 Les trois positions des distributeurs
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Leacutegende
T Orifice du reacuteservoir
P Orifice de la pompe
A amp B Admission et refoulement
1 Tiroir
2 Corps de valve
3 Ressort de rappel
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute
Figure 20 Photos des 3 distributeurs
Marque Numeacutero de seacuterie Tension
(V)
Deacutebit
max
(GPM)
Pression admissible
(PSI)
HY-
SPEC
HYSFW-02-3C2-
B110-Z5L-50
24 DC 9 4750
(Orifice A B P)
2320
(Orifice T)
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La commande des distributeurs
Actuellement lrsquoalimentation des soleacutenoiumldes en courant se fait via deux manettes de controcircle
On retrouve sur ces manettes au total 6 boutons qui permettent lrsquoactivation de chacun des
soleacutenoiumldes Le soleacutenoiumlde demeure alimenteacute tant que lrsquoopeacuterateur exerce une pression sur le
bouton Eacutevidemment ces manettes deviendront inutiles lorsque les soleacutenoiumldes seront alimenteacutes
par lrsquoautomate programmable dans la solution finale
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle
Marque Numeacutero de seacuterie Nombre de boutons
HY-SPEC
HYST90009-3P 2
HYST90012-3P 4
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle
Figure 22 Boicircte de conversion7 entre la manette et le distributeur
7 Aucune speacutecification nrsquoest disponible pour la boicircte de conversion des manettes de controcircle
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3416 Limiteurs de deacutebit
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit
Les limiteurs de deacutebit permettent de controcircler les deacutebits drsquoalimentation des veacuterins et par ce fait
les vitesses de sortie et de rentreacutee des tiges des deux veacuterins Pour y arriver ces valves reacutegulent
le deacutebit du fluide en diminuant la section de lrsquoouverture emprunteacutee par celui-ci Le deacutebit est
proportionnel agrave cette ouverture et agrave la racine carreacutee de la perte de charge Sur le banc drsquoessai on
retrouve 2 eacutetrangleurs reacuteglables agrave pointeau par veacuterin Lrsquoeacutetrangleur agrave pointeau est coupleacute dans le
mecircme corps de la valve avec un clapet de retenue avec ressort8 pour que le deacutebit ne soit limiteacute
que dans un seul sens de lrsquoeacutecoulement
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort
Marque Numeacutero de seacuterie Type
Vickers DGMFN-3-Y-A2W-B2W-41 Port double
8 Il y a ouverture du clapet si la pression drsquoentreacutee est supeacuterieure agrave la somme de la pression de sortie et de la pression du ressort
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
Vinc
342
Parm
press
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man
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342
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Figur
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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Tableau 10 Speacutecifications des 2 veacuterins
Marque Numeacutero de seacuterie Type drsquoorifices Poids
(livres)
Pression
maximale
(pouce)
HY-SPEC HYS 25FEM24-NW SAE-8 40 3000 PSI
3414 Manomegravetre
Actuellement les pressions exerceacutees dans le bloc manifold et dans chaque chambre des veacuterins
sont mesureacutees agrave lrsquoaide de manomegravetre agrave glyceacuterine
Tableau 11 Speacutecifications des manomegravetres agrave glyceacuterine
Marque Numeacutero de seacuterie Localisation Diamegravetre
(pouce)
Connexion Eacutechelle du
cadran
(PSI)
HY-
SPEC
HYSG22LXB3000PSI-
14NPT
Bloc
manifold
25
frac14 NPT
0 agrave 3000
HY-
SPEC
HYSG22LXB5000PSI-
14NPT
2 par veacuterin 0 agrave 5000
G
Figure 17 Photos des manomegravetres raccordeacutes aux veacuterins et au bloc manifold
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3415 Les distributeurs
Dans le systegraveme hydraulique les distributeurs (valves de distribution) sont les composantes
actives (modulateurs) qui permettent la distribution du flux drsquoeacutenergie vers les 2 veacuterins
(reacutecepteurs) pour les libeacuterer les arrecircter ou les reacutetracter Sur les trois distributeurs installeacutes sur le
banc drsquoessai seuls 2 drsquoentre eux sont utiliseacutes Le troisiegraveme distributeur a eacuteteacute installeacute au cas ougrave
un troisiegraveme veacuterin serait neacutecessaire pour reacutealiser des tests futurs drsquoapregraves lrsquoopeacuterateur du banc
drsquoessai Il srsquoagit de distributeurs agrave tiroir (de type coulissant) agrave quatre orifices et agrave trois positions
agrave action piloteacutee agrave commande eacutelectrique par soleacutenoiumldes et agrave centrage par ressort de rappel
En alimentant lrsquoun des deux soleacutenoiumldes avec un courant eacutelectrique le tiroir du distributeur se
deacuteplace et lrsquohuile circule par des canaux internes de la valve vers lrsquoune des extreacutemiteacutes du tiroir
principal pendant que lrsquoautre extreacutemiteacute de ce tiroir est raccordeacutee au reacuteservoir du systegraveme par
lrsquoaction du distributeur pilote La pression qui srsquoexerce sur la face du tiroir principal engendre
une force qui pousse ce dernier et le maintien en position agrave voies parallegraveles ou en position agrave
voies croiseacutees En alternant entre la position agrave voies parallegraveles et la position agrave voies croiseacutees le
sens de lrsquoeacutecoulement du fluide dans le veacuterin change et donc le sens de lrsquoapplication de la force
Par ailleurs lorsque les deux soleacutenoiumldes du distributeur ne sont plus alimenteacutes par un courant
eacutelectrique le tiroir principal revient agrave sa position de repos gracircce agrave la pousseacutee du ressort de
rappel Puisqursquoil srsquoagit de distributeurs agrave centre fermeacute lrsquohuile ne peut alors plus circuler dans
les distributeurs et ecirctre achemineacutee dans les veacuterins
Figure 18 Les trois positions des distributeurs
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Leacutegende
T Orifice du reacuteservoir
P Orifice de la pompe
A amp B Admission et refoulement
1 Tiroir
2 Corps de valve
3 Ressort de rappel
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute
Figure 20 Photos des 3 distributeurs
Marque Numeacutero de seacuterie Tension
(V)
Deacutebit
max
(GPM)
Pression admissible
(PSI)
HY-
SPEC
HYSFW-02-3C2-
B110-Z5L-50
24 DC 9 4750
(Orifice A B P)
2320
(Orifice T)
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La commande des distributeurs
Actuellement lrsquoalimentation des soleacutenoiumldes en courant se fait via deux manettes de controcircle
On retrouve sur ces manettes au total 6 boutons qui permettent lrsquoactivation de chacun des
soleacutenoiumldes Le soleacutenoiumlde demeure alimenteacute tant que lrsquoopeacuterateur exerce une pression sur le
bouton Eacutevidemment ces manettes deviendront inutiles lorsque les soleacutenoiumldes seront alimenteacutes
par lrsquoautomate programmable dans la solution finale
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle
Marque Numeacutero de seacuterie Nombre de boutons
HY-SPEC
HYST90009-3P 2
HYST90012-3P 4
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle
Figure 22 Boicircte de conversion7 entre la manette et le distributeur
7 Aucune speacutecification nrsquoest disponible pour la boicircte de conversion des manettes de controcircle
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3416 Limiteurs de deacutebit
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit
Les limiteurs de deacutebit permettent de controcircler les deacutebits drsquoalimentation des veacuterins et par ce fait
les vitesses de sortie et de rentreacutee des tiges des deux veacuterins Pour y arriver ces valves reacutegulent
le deacutebit du fluide en diminuant la section de lrsquoouverture emprunteacutee par celui-ci Le deacutebit est
proportionnel agrave cette ouverture et agrave la racine carreacutee de la perte de charge Sur le banc drsquoessai on
retrouve 2 eacutetrangleurs reacuteglables agrave pointeau par veacuterin Lrsquoeacutetrangleur agrave pointeau est coupleacute dans le
mecircme corps de la valve avec un clapet de retenue avec ressort8 pour que le deacutebit ne soit limiteacute
que dans un seul sens de lrsquoeacutecoulement
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort
Marque Numeacutero de seacuterie Type
Vickers DGMFN-3-Y-A2W-B2W-41 Port double
8 Il y a ouverture du clapet si la pression drsquoentreacutee est supeacuterieure agrave la somme de la pression de sortie et de la pression du ressort
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
Vinc
342
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press
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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3415 Les distributeurs
Dans le systegraveme hydraulique les distributeurs (valves de distribution) sont les composantes
actives (modulateurs) qui permettent la distribution du flux drsquoeacutenergie vers les 2 veacuterins
(reacutecepteurs) pour les libeacuterer les arrecircter ou les reacutetracter Sur les trois distributeurs installeacutes sur le
banc drsquoessai seuls 2 drsquoentre eux sont utiliseacutes Le troisiegraveme distributeur a eacuteteacute installeacute au cas ougrave
un troisiegraveme veacuterin serait neacutecessaire pour reacutealiser des tests futurs drsquoapregraves lrsquoopeacuterateur du banc
drsquoessai Il srsquoagit de distributeurs agrave tiroir (de type coulissant) agrave quatre orifices et agrave trois positions
agrave action piloteacutee agrave commande eacutelectrique par soleacutenoiumldes et agrave centrage par ressort de rappel
En alimentant lrsquoun des deux soleacutenoiumldes avec un courant eacutelectrique le tiroir du distributeur se
deacuteplace et lrsquohuile circule par des canaux internes de la valve vers lrsquoune des extreacutemiteacutes du tiroir
principal pendant que lrsquoautre extreacutemiteacute de ce tiroir est raccordeacutee au reacuteservoir du systegraveme par
lrsquoaction du distributeur pilote La pression qui srsquoexerce sur la face du tiroir principal engendre
une force qui pousse ce dernier et le maintien en position agrave voies parallegraveles ou en position agrave
voies croiseacutees En alternant entre la position agrave voies parallegraveles et la position agrave voies croiseacutees le
sens de lrsquoeacutecoulement du fluide dans le veacuterin change et donc le sens de lrsquoapplication de la force
Par ailleurs lorsque les deux soleacutenoiumldes du distributeur ne sont plus alimenteacutes par un courant
eacutelectrique le tiroir principal revient agrave sa position de repos gracircce agrave la pousseacutee du ressort de
rappel Puisqursquoil srsquoagit de distributeurs agrave centre fermeacute lrsquohuile ne peut alors plus circuler dans
les distributeurs et ecirctre achemineacutee dans les veacuterins
Figure 18 Les trois positions des distributeurs
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Leacutegende
T Orifice du reacuteservoir
P Orifice de la pompe
A amp B Admission et refoulement
1 Tiroir
2 Corps de valve
3 Ressort de rappel
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute
Figure 20 Photos des 3 distributeurs
Marque Numeacutero de seacuterie Tension
(V)
Deacutebit
max
(GPM)
Pression admissible
(PSI)
HY-
SPEC
HYSFW-02-3C2-
B110-Z5L-50
24 DC 9 4750
(Orifice A B P)
2320
(Orifice T)
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La commande des distributeurs
Actuellement lrsquoalimentation des soleacutenoiumldes en courant se fait via deux manettes de controcircle
On retrouve sur ces manettes au total 6 boutons qui permettent lrsquoactivation de chacun des
soleacutenoiumldes Le soleacutenoiumlde demeure alimenteacute tant que lrsquoopeacuterateur exerce une pression sur le
bouton Eacutevidemment ces manettes deviendront inutiles lorsque les soleacutenoiumldes seront alimenteacutes
par lrsquoautomate programmable dans la solution finale
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle
Marque Numeacutero de seacuterie Nombre de boutons
HY-SPEC
HYST90009-3P 2
HYST90012-3P 4
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle
Figure 22 Boicircte de conversion7 entre la manette et le distributeur
7 Aucune speacutecification nrsquoest disponible pour la boicircte de conversion des manettes de controcircle
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3416 Limiteurs de deacutebit
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit
Les limiteurs de deacutebit permettent de controcircler les deacutebits drsquoalimentation des veacuterins et par ce fait
les vitesses de sortie et de rentreacutee des tiges des deux veacuterins Pour y arriver ces valves reacutegulent
le deacutebit du fluide en diminuant la section de lrsquoouverture emprunteacutee par celui-ci Le deacutebit est
proportionnel agrave cette ouverture et agrave la racine carreacutee de la perte de charge Sur le banc drsquoessai on
retrouve 2 eacutetrangleurs reacuteglables agrave pointeau par veacuterin Lrsquoeacutetrangleur agrave pointeau est coupleacute dans le
mecircme corps de la valve avec un clapet de retenue avec ressort8 pour que le deacutebit ne soit limiteacute
que dans un seul sens de lrsquoeacutecoulement
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort
Marque Numeacutero de seacuterie Type
Vickers DGMFN-3-Y-A2W-B2W-41 Port double
8 Il y a ouverture du clapet si la pression drsquoentreacutee est supeacuterieure agrave la somme de la pression de sortie et de la pression du ressort
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
Vinc
342
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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Leacutegende
T Orifice du reacuteservoir
P Orifice de la pompe
A amp B Admission et refoulement
1 Tiroir
2 Corps de valve
3 Ressort de rappel
Figure 19 Eacutecoulement du fluide dans un veacuterin selon la position du tiroir du distributeur
Tableau 12 Speacutecifications du distributeur agrave trois positions 4 orifices et agrave centre fermeacute
Figure 20 Photos des 3 distributeurs
Marque Numeacutero de seacuterie Tension
(V)
Deacutebit
max
(GPM)
Pression admissible
(PSI)
HY-
SPEC
HYSFW-02-3C2-
B110-Z5L-50
24 DC 9 4750
(Orifice A B P)
2320
(Orifice T)
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La commande des distributeurs
Actuellement lrsquoalimentation des soleacutenoiumldes en courant se fait via deux manettes de controcircle
On retrouve sur ces manettes au total 6 boutons qui permettent lrsquoactivation de chacun des
soleacutenoiumldes Le soleacutenoiumlde demeure alimenteacute tant que lrsquoopeacuterateur exerce une pression sur le
bouton Eacutevidemment ces manettes deviendront inutiles lorsque les soleacutenoiumldes seront alimenteacutes
par lrsquoautomate programmable dans la solution finale
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle
Marque Numeacutero de seacuterie Nombre de boutons
HY-SPEC
HYST90009-3P 2
HYST90012-3P 4
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle
Figure 22 Boicircte de conversion7 entre la manette et le distributeur
7 Aucune speacutecification nrsquoest disponible pour la boicircte de conversion des manettes de controcircle
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3416 Limiteurs de deacutebit
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit
Les limiteurs de deacutebit permettent de controcircler les deacutebits drsquoalimentation des veacuterins et par ce fait
les vitesses de sortie et de rentreacutee des tiges des deux veacuterins Pour y arriver ces valves reacutegulent
le deacutebit du fluide en diminuant la section de lrsquoouverture emprunteacutee par celui-ci Le deacutebit est
proportionnel agrave cette ouverture et agrave la racine carreacutee de la perte de charge Sur le banc drsquoessai on
retrouve 2 eacutetrangleurs reacuteglables agrave pointeau par veacuterin Lrsquoeacutetrangleur agrave pointeau est coupleacute dans le
mecircme corps de la valve avec un clapet de retenue avec ressort8 pour que le deacutebit ne soit limiteacute
que dans un seul sens de lrsquoeacutecoulement
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort
Marque Numeacutero de seacuterie Type
Vickers DGMFN-3-Y-A2W-B2W-41 Port double
8 Il y a ouverture du clapet si la pression drsquoentreacutee est supeacuterieure agrave la somme de la pression de sortie et de la pression du ressort
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
Vinc
342
Parm
press
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342
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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La commande des distributeurs
Actuellement lrsquoalimentation des soleacutenoiumldes en courant se fait via deux manettes de controcircle
On retrouve sur ces manettes au total 6 boutons qui permettent lrsquoactivation de chacun des
soleacutenoiumldes Le soleacutenoiumlde demeure alimenteacute tant que lrsquoopeacuterateur exerce une pression sur le
bouton Eacutevidemment ces manettes deviendront inutiles lorsque les soleacutenoiumldes seront alimenteacutes
par lrsquoautomate programmable dans la solution finale
Tableau 13 Speacutecifications des manettes de controcircle
Marque Numeacutero de seacuterie Nombre de boutons
HY-SPEC
HYST90009-3P 2
HYST90012-3P 4
Figure 21 Photos des 2 manettes de controcircle
Figure 22 Boicircte de conversion7 entre la manette et le distributeur
7 Aucune speacutecification nrsquoest disponible pour la boicircte de conversion des manettes de controcircle
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3416 Limiteurs de deacutebit
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit
Les limiteurs de deacutebit permettent de controcircler les deacutebits drsquoalimentation des veacuterins et par ce fait
les vitesses de sortie et de rentreacutee des tiges des deux veacuterins Pour y arriver ces valves reacutegulent
le deacutebit du fluide en diminuant la section de lrsquoouverture emprunteacutee par celui-ci Le deacutebit est
proportionnel agrave cette ouverture et agrave la racine carreacutee de la perte de charge Sur le banc drsquoessai on
retrouve 2 eacutetrangleurs reacuteglables agrave pointeau par veacuterin Lrsquoeacutetrangleur agrave pointeau est coupleacute dans le
mecircme corps de la valve avec un clapet de retenue avec ressort8 pour que le deacutebit ne soit limiteacute
que dans un seul sens de lrsquoeacutecoulement
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort
Marque Numeacutero de seacuterie Type
Vickers DGMFN-3-Y-A2W-B2W-41 Port double
8 Il y a ouverture du clapet si la pression drsquoentreacutee est supeacuterieure agrave la somme de la pression de sortie et de la pression du ressort
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
Vinc
342
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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3416 Limiteurs de deacutebit
Figure 23 Photo des limiteurs de deacutebit
Les limiteurs de deacutebit permettent de controcircler les deacutebits drsquoalimentation des veacuterins et par ce fait
les vitesses de sortie et de rentreacutee des tiges des deux veacuterins Pour y arriver ces valves reacutegulent
le deacutebit du fluide en diminuant la section de lrsquoouverture emprunteacutee par celui-ci Le deacutebit est
proportionnel agrave cette ouverture et agrave la racine carreacutee de la perte de charge Sur le banc drsquoessai on
retrouve 2 eacutetrangleurs reacuteglables agrave pointeau par veacuterin Lrsquoeacutetrangleur agrave pointeau est coupleacute dans le
mecircme corps de la valve avec un clapet de retenue avec ressort8 pour que le deacutebit ne soit limiteacute
que dans un seul sens de lrsquoeacutecoulement
Figure 24 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de deacutebit
Tableau 14 Speacutecification des eacutetrangleurs agrave pointeau avec clapet de retenue avec ressort
Marque Numeacutero de seacuterie Type
Vickers DGMFN-3-Y-A2W-B2W-41 Port double
8 Il y a ouverture du clapet si la pression drsquoentreacutee est supeacuterieure agrave la somme de la pression de sortie et de la pression du ressort
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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3417 Limiteurs de pression
Actuellement le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai est conccedilu de telle sorte qursquoil peut
fonctionner dans une gamme de pressions pour que les veacuterins puissent exercer des forces
(tension et contraction) de diffeacuterentes amplitudes telles que requises dans les tests CMVSS-
207-210 Pour controcircler les pressions dans chaque chambre du veacuterin on a recours agrave deux
limiteurs de pression par veacuterin Le systegraveme requiert aussi un limiteur de pression additionnel
pour controcircler la pression totale qui est fournie dans le bloc manifold Ces limiteurs de pression
sont des valves normalement fermeacutees qui sont monteacutees en parallegravele entre la branche
drsquoapprovisionnement du circuit et la branche de sortie connecteacutee au reacuteservoir
Leacutegende
1 Corps de valve
2 Vis de reacuteglage
3 Piston cylindrique
Figure 25 Vue en coupe du limiteur de pression agrave piston agrave tecircte tronconique
Le piston est soumis simultaneacutement agrave la force de rappel du ressort et agrave la force hydraulique
exerceacutee par la pression du fluide sur la face infeacuterieure qui peacutenegravetre agrave lrsquoentreacutee du limiteur On
peut ajuster la force du ressort agrave lrsquoaide drsquoune vis de reacuteglage qui le comprime Lrsquoouverture de la
valve se produit lorsque la force hydraulique est supeacuterieure agrave la force du ressort Agrave cet instant
le surplus de fluide sous pression non deacutesireacute est achemineacute vers le reacuteservoir
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
Vinc
342
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342
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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Figure 26 Photo des limiteurs de pression
Tableau 15 Speacutecifications du limiteur de pression de type modulaire9
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre des
ports (pouce)
Port de controcircle Eacutechelle de la pression
drsquoajustement
(PSI)
HY-
SPEC
MRV-02-P-3-B 14 Port P asymp 140-3555
Figure 27 Repreacutesentation scheacutematique du limiteur de pression avec un port de controcircle P
9 Les speacutecifications de ce tableau proviennent drsquoune valve de marque japonaise qui possegravede le mecircme numeacutero de modegravele que la valve installeacutee sur le banc drsquoessai Le numeacutero de seacuterie de la valve actuelle est MFGNO-L04-0803 mais elle nrsquoa pas pu ecirctre retrouveacutee sur internet
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
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11
preacuteceacutedente
pour pouvoir
e pression agrave
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oportionnelle
trique proporti
mande eacutelectr
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euvent fournir ovenant de lrsquoAte EDM-M112
CMVSS
section seu
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ent de chois
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47
teurs de
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bloc foreacute
nomegravetres
tibiliteacute et
modegraveles
epose sur
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force de
ortie est
e via un
puisqursquoil
200 mA agrave miteurs de
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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3418 Valve de seacutecuriteacute
On retrouve eacutegalement deux valves de seacutecuriteacute dans le circuit hydraulique qui servent agrave
proteacuteger les composantes hydrauliques et meacutecaniques contre les surcharges La premiegravere qui
est de type cartouche est connecteacutee au bloc manifold et limite la pression maximum admissible
dans celui-ci La seconde fait partie de lrsquoensemble pompe-moteur-reacuteservoir et protegravege le circuit
en aval de la pompe Les speacutecifications de cette valve sont par contre inconnues On diffeacuterencie
les valves de seacutecuriteacute des limiteurs de pression par le fait qursquoelles ne sont actives que pendant
les situations drsquourgence contrairement aux limiteurs de pressions qui demeurent actifs pendant
la totaliteacute du cycle de travail du banc drsquoessai Normalement les pressions drsquoouverture des
valves de seacutecuriteacute sont ajusteacutees pour ecirctre 25 supeacuterieures aux pressions drsquoopeacuteration
Figure 28 Photo de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold
Tableau 16 Speacutecifications de la valve en cartouche installeacutee sur le bloc manifold (limiteur de pression)
Marque Numeacutero de seacuterie Description Plage de pression
(PSI)
HY-SPEC HYSRP10A-20AL Type D03 100 ndash 3000
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
Vinc
342
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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3419 Valve de mise agrave vide
Puisque le banc drsquoessai utilise une puissance hydraulique consideacuterable pendant son opeacuteration le
circuit hydraulique doit ecirctre conccedilu de faccedilon agrave ce que la pompe ne puisse opeacuterer lorsque les 2
veacuterins sont au repos Autrement si la pompe est autoriseacutee agrave deacutecharger par le limiteur de
pression lrsquoeacutenergie fluide qui nrsquoest plus utiliseacutee cela repreacutesente une perte drsquoeacutenergie inadmissible
qui se transforme en chaleur et qui affecte de nombreuses proprieacuteteacutes10 du fluide dont la
viscositeacute La surchauffe de lrsquohuile peut eacutegalement deacutegrader chimiquement lrsquohuile et la rendre
inutilisable de faccedilon permanente Une huile inutilisable augmente entre autres le taux de lrsquousure
de nombreuses composantes du systegraveme
Lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai suppose que le deacutechargement de la pompe se fait actuellement
directement dans le limiteur de pression Par contre selon une facture11 qui mrsquoa eacuteteacute remise par
le repreacutesentant industriel une valve de mise agrave vide aurait eacuteteacute installeacutee sur le banc drsquoessai par
Geacuteliko Inc en 2009 Bien que je nrsquoaie pas pu retrouver cette valve dans le circuit hydraulique
du banc drsquoessai jrsquoai supposeacute qursquoelle a eacuteteacute installeacutee agrave lrsquointeacuterieur du reacuteservoir de la pompe
Vous retrouverez ci-dessous deux configurations possibles qui illustrent comment la pompe
hydraulique peut ecirctre deacutechargeacutee avec une valve de mise agrave vide Pour bien comprendre lrsquoeacutetude
de ces configurations il est bon de rappeler que la puissance circulant dans les canalisations du
circuit hydrauliques est fonction de deux variables la pression et le deacutebit On peut donc
deacutecharger la pompe en reacuteduisant la pression agrave zeacutero ou en conservant la pression agrave sa pleine
valeur mais en reacuteduisant le deacutebit agrave zeacutero
10 Voir lrsquoannexe pour consulter la theacuteorie sur les proprieacuteteacutes rechercheacutees du fluide 11 Voir lrsquoannexe pour consulter la facture de Geacuteliko
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
Vinc
342
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
1 NL RUCKER PRODUCT LTD Hydraulic pneumatic equipment Canadian Edition
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7 DUPLOMATIC OLEADINAMICA Proportional
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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ConfigurationNo1
Figure 29 Montage drsquoune valve de mise agrave vide simplifieacute
Le moyen le plus simple pour deacutecharger la pompe est de court-circuiter le circuit en acheminant
lrsquohuile directement dans le reacuteservoir gracircce agrave lrsquoouverture drsquoune valve de mise agrave vide agrave 2 orifices
normalement ouverts Pour eacuteviter que lrsquoopeacuterateur oublie de deacutecharger la pompe lorsque la
pression fournie par celle-ci nrsquoest plus neacutecessaire on a recours agrave une valve de mise agrave vide doteacutee
drsquoun soleacutenoiumlde qui est actionneacute automatiquement par les valves de distribution En utilisant un
automate programmable ou un relais on peut faire en sorte que lorsque les deux distributeurs
sont agrave la position neutre que le soleacutenoiumlde de la valve de mise agrave vide soit alimenteacute en courant
ConfigurationNo2
Figure 30 Montage drsquoune valve de mise agrave vide piloteacutee
Une autre solution possible pour deacutecharger la pompe est drsquoutiliser une valve de mise agrave vide
piloteacutee par un limiteur de pression Cette configuration permet de pouvoir effectuer un
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
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Richmond 1980
2 NOAH D MANRING Hydraulic control systems Wiley New Jersey 2005
3 REacuteJEAN LABONVILLE Conception des circuits hydrauliques Presses internationales
Polytechnique 1999
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6 AUTOMATION DIRECT Programmable Controllers
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7 DUPLOMATIC OLEADINAMICA Proportional
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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deacutechargement drsquoune plus grande quantiteacute drsquohuile vers le reacuteservoir Le limiteur de pression est
dimensionneacute pour pouvoir supporter le volume de lrsquoeacutecoulement De plus on utilise eacutegalement
une valve de mise agrave vide agrave 2 orifices normalement ouverts doteacutee drsquoun soleacutenoiumlde pour la mecircme
raison qursquoeacutenonceacutee preacuteceacutedemment
Tableau 17 Speacutecification de la valve de mise agrave vide agrave deux orifices normalement ouverts avec soleacutenoiumlde
Marque Numeacutero de seacuterie Connexion Voltage
(V)
Deacutebit
admissible
(GPM)
HY-
SPEC
DTDA-MNH-221-GAB 38 NPT 11560 10
Figure 31 Repreacutesentation scheacutematique de la valve de mise agrave vide
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
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Polytechnique 1999
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
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7 DUPLOMATIC OLEADINAMICA Proportional
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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srsquoagit drsquoune valve de type cartouche et non drsquoune valve de type modulaire on doit preacutevoir
lrsquoajout drsquoune plaque foreacutee pour proceacuteder agrave lrsquoinstallation des 4 limiteurs de pressions qui sont
requis
Figure 33 Courbe de la pression en fonction du courant fournie au soleacutenoiumlde (deacutebit en entreacutee Q = 05 lmn)
Tableau 18 Speacutecifications du limiteur de pression agrave commande eacutelectrique choisie
Marque Numeacutero de
modegravele
Diamegravetre
du port
(pouce)
Tension
(V)
Deacutebit
admissible
(Lmn)
Plage de reacuteglage
pression
(BAR)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
CRE-
25020N-
D24K1
14 24 15 0 agrave 250
Tableau 19 Amplificateur numeacuterique pour valve proportionnelle EDM‐M3112
Marque Numeacutero de
modegravele
Montage Nombre de
canaux
indeacutependants
IMin
(mA)
Imax
(mA)
PWM
(Hz)
DUPLOMATIC
HYDRAULIQUE
EDM-M112 Montage sur
rail
DIN EN 50022
1
200
860
200 EDM-M3112 2
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
DPG409-50KG 0 agrave 5V
0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
frac14 NPT 0 agrave 5000
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
1 NL RUCKER PRODUCT LTD Hydraulic pneumatic equipment Canadian Edition
Richmond 1980
2 NOAH D MANRING Hydraulic control systems Wiley New Jersey 2005
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Polytechnique 1999
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mise agrave jour 2010-06-10
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lthttpwwwautomationdirectcomadcShoppingCatalogProgrammable_Controllersgt
7 DUPLOMATIC OLEADINAMICA Proportional
valveslthttpwwwduplomaticcomencategoriesdi_controllo_pressione1gt
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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3422 Manomegravetre digital
Figure 34 Photo du manomegravetre digital choisie
Voici le modegravele du manomegravetre digital qui a eacuteteacute choisi et qui remplacera tous les manomegravetres agrave
aiguille Il dispose drsquoune sortie analogique qui sera relieacutee agrave lrsquoautomate programmable qui va
devoir lire les valeurs des pressions en temps reacuteel
Tableau 20 Speacutecification du manomegravetre digital
Marque Numeacutero de seacuterie Sortie
analogique
configurable
Connexion Eacutechelle du
cadran (PSI)
OMEGA
DYNE
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0 agrave 10 V
4 agrave 20 mA
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
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K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
1 NL RUCKER PRODUCT LTD Hydraulic pneumatic equipment Canadian Edition
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mise agrave jour 2010-06-10
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7 DUPLOMATIC OLEADINAMICA Proportional
valveslthttpwwwduplomaticcomencategoriesdi_controllo_pressione1gt
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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343 Conception du circuit hydraulique de la solution finale
Dans le domaine de lrsquoautomatisation il est impossible de deacutebuter la programmation de
lrsquoautomate (en grafcet ou en ladder) sans avoir une ideacutee claire de comment est configureacute le
circuit hydraulique La conception de ce circuit a pu ecirctre reacutealiseacutee agrave partir des eacutetudes preacuteceacutedentes
et des exemples de circuits hydrauliques que lrsquoon retrouve dans des catalogues et des livres de
reacutefeacuterence
Tableau 21 Leacutegende du circuit hydraulique
Sigle Description
A Manomegravetre digital
B Valve de mise agrave vide
C Soupape de seacutecuriteacute
D Creacutepine
E Moteur eacutelectrique
F Pompe
G Reacuteservoir principal
H Veacuterin
I Limiteur de deacutebit
J Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique
K Distributeur 43
L Limiteur de pression (principal)
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
1 NL RUCKER PRODUCT LTD Hydraulic pneumatic equipment Canadian Edition
Richmond 1980
2 NOAH D MANRING Hydraulic control systems Wiley New Jersey 2005
3 REacuteJEAN LABONVILLE Conception des circuits hydrauliques Presses internationales
Polytechnique 1999
4 HY-SPEC HYDRAULIK Produits lt httphyspeccafrancaisindexhtmgt Derniegravere
mise agrave jour 2010-06-10
5 OMEGA Digital Pressure Gauge lt httpwwwomegacompptstDPG409htmlgt
6 AUTOMATION DIRECT Programmable Controllers
lthttpwwwautomationdirectcomadcShoppingCatalogProgrammable_Controllersgt
7 DUPLOMATIC OLEADINAMICA Proportional
valveslthttpwwwduplomaticcomencategoriesdi_controllo_pressione1gt
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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Figure 35 Circuit hydraulique de la solution finale
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
1 NL RUCKER PRODUCT LTD Hydraulic pneumatic equipment Canadian Edition
Richmond 1980
2 NOAH D MANRING Hydraulic control systems Wiley New Jersey 2005
3 REacuteJEAN LABONVILLE Conception des circuits hydrauliques Presses internationales
Polytechnique 1999
4 HY-SPEC HYDRAULIK Produits lt httphyspeccafrancaisindexhtmgt Derniegravere
mise agrave jour 2010-06-10
5 OMEGA Digital Pressure Gauge lt httpwwwomegacompptstDPG409htmlgt
6 AUTOMATION DIRECT Programmable Controllers
lthttpwwwautomationdirectcomadcShoppingCatalogProgrammable_Controllersgt
7 DUPLOMATIC OLEADINAMICA Proportional
valveslthttpwwwduplomaticcomencategoriesdi_controllo_pressione1gt
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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344 Asservissement du systegraveme hydraulique
Lrsquoasservissement du systegraveme hydraulique par une valve de controcircle permettrait de mieux
controcircler la position la vitesse et la force du veacuterin Pour ce projet crsquoest le controcircle des forces
dans les veacuterins qui est deacutesireacute Lrsquoobjectif de la conception pour un problegraveme de controcircle de la
force est de modeacuteliser la reacuteponse du premier ordre en choisissant la constante de temps
approprieacutee pour le systegraveme En faisant un choix approprieacute des gains proportionnels et inteacutegraux
la constante de temps peut ecirctre augmenteacutee ou diminueacutee en fonction du temps de reacuteponse voulue
pour le controcircle de la sortie du veacuterin
Dans le systegraveme hydraulique du banc drsquoessai crsquoest les distributeurs qui sont les valves de
controcircle Mais sur le banc drsquoessai existant on retrouve des distributeurs agrave quatre orifices dont la
configuration est agrave centre fermeacute La dimension laquo u raquo qui repreacutesente la distance entre lrsquoextreacutemiteacute
du tiroir et lrsquoextreacutemiteacute de lrsquoouverture de lrsquoorifice est en fait neacutegative Cette conception agrave centre
fermeacute fait en sorte que le tiroir doit se deacuteplacer drsquoune distance laquo u raquo avant que tout eacutecoulement
puisse entrer ou sortir des orifices Agrave la position neutre les orifices drsquoentreacutee et de sortie sont
complegravetement fermeacutes Le controcircle des deacutebits drsquoentreacutees et de sorties dans les distributeurs
devient impossible comparativement aux distributeurs ayant une configuration agrave centre ouvert
Et sans controcircle des deacutebits volumeacutetriques lrsquoasservissement du systegraveme est irreacutealisable
Mais puisque le client tient agrave ce que la somme neacutecessaire pour reacutealiser le projet soit la moins
eacuteleveacutee possible le changement des distributeurs actuels nrsquoa pas eacuteteacute une option qui a eacuteteacute
envisageacutee De plus il a eacuteteacute convenu qursquoempecirccher un deacutepassement de forces exerceacutees par les
veacuterins nrsquoest pas primordial puisqursquoau final le siegravege deacuteveloppeacute en conseacutequence nrsquoen sera que
plus seacutecuritaire Enfin il a eacuteteacute supposeacute que le temps de reacuteponse (temps neacutecessaire pour atteindre
la force deacutesireacutee) demeurera acceptable (moins de 29 secondes) apregraves avoir effectueacute un reacuteglage
adeacutequat des valves de deacutebits
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
1 NL RUCKER PRODUCT LTD Hydraulic pneumatic equipment Canadian Edition
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3 REacuteJEAN LABONVILLE Conception des circuits hydrauliques Presses internationales
Polytechnique 1999
4 HY-SPEC HYDRAULIK Produits lt httphyspeccafrancaisindexhtmgt Derniegravere
mise agrave jour 2010-06-10
5 OMEGA Digital Pressure Gauge lt httpwwwomegacompptstDPG409htmlgt
6 AUTOMATION DIRECT Programmable Controllers
lthttpwwwautomationdirectcomadcShoppingCatalogProgrammable_Controllersgt
7 DUPLOMATIC OLEADINAMICA Proportional
valveslthttpwwwduplomaticcomencategoriesdi_controllo_pressione1gt
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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Dans le cas ougrave le deacutepassement le temps de reacuteponse la stabiliteacute et lrsquoerreur en reacutegime permanent
seraient complegravetement insatisfaisants une fois la solution implanteacutee sur le banc drsquoessai on doit
se reacutefeacuterer au chapitre 7 du livre laquo Hydraulic Control Systems raquo de Noah D Manring Ce
chapitre traite de lrsquoasservissement de systegravemes hydrauliques agrave partir de distributeurs agrave 3 ou 4
orifices dont la configuration est agrave centre ouvert Enfin le client devra srsquoassurer que lrsquoautomate
qui sera choisie dispose drsquoune fonction interne PI (proportionnel-inteacutegral) car ce ne sont pas
tous les automates programmables qui disposent de cette fonction
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
1 NL RUCKER PRODUCT LTD Hydraulic pneumatic equipment Canadian Edition
Richmond 1980
2 NOAH D MANRING Hydraulic control systems Wiley New Jersey 2005
3 REacuteJEAN LABONVILLE Conception des circuits hydrauliques Presses internationales
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5 OMEGA Digital Pressure Gauge lt httpwwwomegacompptstDPG409htmlgt
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lthttpwwwautomationdirectcomadcShoppingCatalogProgrammable_Controllersgt
7 DUPLOMATIC OLEADINAMICA Proportional
valveslthttpwwwduplomaticcomencategoriesdi_controllo_pressione1gt
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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4 ESTIMATION DES COUcircTS
Le tableau ci-dessous preacutesente les prix des diffeacuterentes composantes qui devront ecirctre acheteacutes
pour reacutealiser la solution finale Le coucirct total brut nrsquoinclut pas les taxes et les frais de transports
drsquoinstallation et de formation Drsquoautre part bien que lrsquoautomate et les composantes qui lui sont
associeacutees nrsquoaient pas eacuteteacute seacutelectionneacutes au cours de ce projet il a eacuteteacute jugeacute utile de les inclure dans
lrsquoestimation des coucircts puisqursquoils devront ecirctre acheteacutes pour pouvoir automatiser le banc drsquoessai
Enfin tous les prix afficheacutes proviennent des sites internet officiels des fabricants
Description Numeacutero de reacutefeacuterence
Quantiteacute Prixuniteacute Prix total
Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique DUPLOMATIC
CRE-25020N-D24K1
5 asymp180 $ 900 $
Manomegravetre digital OMEGA DYNE DPG409-50KG 5 695 $ 3475 $
Modules de lrsquoAPI Carte processeur NA 1 600 $ 600 $ Module de meacutemoire NA 1 50 $ 50 $ Rack + cacircbles NA 1 50 $ 50 $ Logiciel de programmation NA 1 400 $ 400 $ Carte drsquoentreacuteesortie discregravete NA 1 60 $ 60 $ Carte entreacuteesortie analogique NA 1 120 $ 120 $ Interface homme-machine
NA 1 500 $ 500 $
Total brut 6155 $
On constate que la somme totale agrave investir pour reacutealiser la solution ne deacutepasse pas la contrainte
moneacutetaire de 8000 $ qui a eacuteteacute fixeacutee par le client au deacutebut du projet
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
1 NL RUCKER PRODUCT LTD Hydraulic pneumatic equipment Canadian Edition
Richmond 1980
2 NOAH D MANRING Hydraulic control systems Wiley New Jersey 2005
3 REacuteJEAN LABONVILLE Conception des circuits hydrauliques Presses internationales
Polytechnique 1999
4 HY-SPEC HYDRAULIK Produits lt httphyspeccafrancaisindexhtmgt Derniegravere
mise agrave jour 2010-06-10
5 OMEGA Digital Pressure Gauge lt httpwwwomegacompptstDPG409htmlgt
6 AUTOMATION DIRECT Programmable Controllers
lthttpwwwautomationdirectcomadcShoppingCatalogProgrammable_Controllersgt
7 DUPLOMATIC OLEADINAMICA Proportional
valveslthttpwwwduplomaticcomencategoriesdi_controllo_pressione1gt
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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5 SANTEacute ET SEacuteCURITEacute
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire consideacuterablement les risques de mauvaises
manipulations du banc drsquoessai qui peuvent ecirctre agrave lrsquoorigine drsquoaccidents de travail En effet le
comportement des veacuterins ne sera plus hasardeux comme preacutesentement puisque tous les tests
seront uniformiseacutes Neacuteanmoins lrsquoautomatisation demeurera partielle car certaines tacircches
resteront confieacutees agrave lrsquoopeacuterateur du banc drsquoessai Par exemple crsquoest lrsquoopeacuterateur qui devra
srsquoassurer avant et pendant la mise en marche du banc drsquoessai qursquoil nrsquoy ait aucun individu agrave
proximiteacute des veacuterins De plus celui-ci devra connaicirctre les consignes de seacutecuriteacute et la proceacutedure
drsquoarrecirct drsquourgence au cas ougrave il y aurait un malfonctionnement du banc drsquoessai Lrsquointerface
homme-machine devra ecirctre conccedilue de sorte que lrsquoopeacuterateur soit guideacute pour faire face agrave cette
situation impreacutevue
Figure 36 Proceacutedure drsquoarrecirct drsquourgence
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
1 NL RUCKER PRODUCT LTD Hydraulic pneumatic equipment Canadian Edition
Richmond 1980
2 NOAH D MANRING Hydraulic control systems Wiley New Jersey 2005
3 REacuteJEAN LABONVILLE Conception des circuits hydrauliques Presses internationales
Polytechnique 1999
4 HY-SPEC HYDRAULIK Produits lt httphyspeccafrancaisindexhtmgt Derniegravere
mise agrave jour 2010-06-10
5 OMEGA Digital Pressure Gauge lt httpwwwomegacompptstDPG409htmlgt
6 AUTOMATION DIRECT Programmable Controllers
lthttpwwwautomationdirectcomadcShoppingCatalogProgrammable_Controllersgt
7 DUPLOMATIC OLEADINAMICA Proportional
valveslthttpwwwduplomaticcomencategoriesdi_controllo_pressione1gt
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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6 DEacuteVELOPPEMENT DURABLE
Lrsquoautomatisation du banc drsquoessai permettra de reacuteduire de beaucoup le temps requis pour
effectuer les trois tests des normes CMVSS 207-210 Par conseacutequent cela engendra une baisse
de la consommation eacutelectrique puisque la pompe sera moins longtemps en utilisation La
consommation eacutelectrique de lrsquoautomate programmable qui srsquoajoutera est consideacutereacutee comme
eacutetant neacutegligeable par rapport agrave lrsquoeacuteconomie drsquoeacutenergie qui sera reacutealiseacutee Par ailleurs il reste une
possibiliteacute drsquoameacuteliorer le bilan eacutenergeacutetique du banc drsquoessai en modifiant le circuit hydraulique
qui a eacuteteacute conccedilue au cours de ce projet Comme il a eacuteteacute vu preacuteceacutedemment lorsque les deux
veacuterins sont inutiliseacutes lrsquoeacutenergie fluide deacutelivreacutee par la pompe est en quelque sorte laquo gaspilleacutee raquo
puisqursquoelle retourne directement au reacuteservoir via la valve de mise agrave vide sans avoir servi
Lrsquoinsertion drsquoaccumulateurs dans le circuit permettrait drsquoemmagasiner cette eacutenergie fluide et de
la restituer aux veacuterins lorsqursquoils seraient de nouveau utiliseacutes Le fluide de lrsquoaccumulateur
srsquoajouterait au fluide de la pompe et cela compenserait les pertes volumeacutetriques et les variations
de volume du fluide dues aux effets thermiques Par contre cette modification peut
complexifier davantage le circuit hydraulique puisqursquoon doit choisir et dimensionner de
nouvelles composantes en tenant compte du nouveau mode de fonctionnement du banc drsquoessai
Enfin le client devra veacuterifier si la somme neacutecessaire pour acheter les nouvelles composantes
requises pour lrsquoinstallation de lrsquoaccumulateur sera amortie rapidement par les eacuteconomies
drsquoeacutenergie engendreacutee
Figure 37 Exemple de circuit dans lequel laccumulateur est utiliseacute comme source deacutenergie auxiliaire
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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BIBLIOGRAPHIE
1 NL RUCKER PRODUCT LTD Hydraulic pneumatic equipment Canadian Edition
Richmond 1980
2 NOAH D MANRING Hydraulic control systems Wiley New Jersey 2005
3 REacuteJEAN LABONVILLE Conception des circuits hydrauliques Presses internationales
Polytechnique 1999
4 HY-SPEC HYDRAULIK Produits lt httphyspeccafrancaisindexhtmgt Derniegravere
mise agrave jour 2010-06-10
5 OMEGA Digital Pressure Gauge lt httpwwwomegacompptstDPG409htmlgt
6 AUTOMATION DIRECT Programmable Controllers
lthttpwwwautomationdirectcomadcShoppingCatalogProgrammable_Controllersgt
7 DUPLOMATIC OLEADINAMICA Proportional
valveslthttpwwwduplomaticcomencategoriesdi_controllo_pressione1gt
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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CONCLUSION
Ce projet avait pour principal objectif de concevoir une uniteacute de controcircle capable drsquoeffectuer
tous les tests normatifs CMVSS 207-210 en gagnant en flexibiliteacute et en faciliteacute drsquoutilisation
Suite agrave une phase de recherche de solutions crsquoest lrsquoautomate programmable qui a eacuteteacute choisi
comme la meilleure uniteacute de controcircle Lrsquoeacutetude du systegraveme hydraulique actuel a permis de
concevoir le plan du circuit hydraulique de la solution finale Dans ce circuit les limiteurs de
pressions ont eacuteteacute remplaceacutes par des limiteurs de pression agrave commande eacutelectrique et les
manomegravetres agrave glyceacuterine ont eacuteteacute remplaceacutes par des manomegravetres digitaux Malheureusement tous
les points du mandat nrsquoont pas tous eacuteteacute satisfaits Lrsquoeacutecriture du programme sur lrsquoautomate la
conception de lrsquointerface homme-machine et la reacutedaction drsquoun mode drsquoemploi pour utiliser le
banc drsquoessai nrsquoont pas pu ecirctre effectueacutees principalement agrave cause drsquoun manque drsquoeffectif13 Par
contre ce rapport servira de fondation agrave la prochaine eacutequipe qui poursuivra le projet lrsquoanneacutee
prochaine La partie hydraulique eacutetant conccedilue ils pourront se concentrer uniquement sur la
programmation de lrsquoautomate et sur le deacuteveloppement de lrsquointerface numeacuterique
Pour conclure jrsquoai pu en apprendre beaucoup sur le domaine de lrsquohydraulique qui eacutetait un
domaine qui mrsquoeacutetait totalement inconnu au deacutebut du projet Je pourrais profiter de cette
expeacuterience acquise dans ma future carriegravere lorsque jrsquoaurai agrave automatiser drsquoautres systegravemes
hydrauliques composeacutes de veacuterins lineacuteaires
13 Un projet de cette envergure se fait normalement en eacutequipe de deux
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
1 NL RUCKER PRODUCT LTD Hydraulic pneumatic equipment Canadian Edition
Richmond 1980
2 NOAH D MANRING Hydraulic control systems Wiley New Jersey 2005
3 REacuteJEAN LABONVILLE Conception des circuits hydrauliques Presses internationales
Polytechnique 1999
4 HY-SPEC HYDRAULIK Produits lt httphyspeccafrancaisindexhtmgt Derniegravere
mise agrave jour 2010-06-10
5 OMEGA Digital Pressure Gauge lt httpwwwomegacompptstDPG409htmlgt
6 AUTOMATION DIRECT Programmable Controllers
lthttpwwwautomationdirectcomadcShoppingCatalogProgrammable_Controllersgt
7 DUPLOMATIC OLEADINAMICA Proportional
valveslthttpwwwduplomaticcomencategoriesdi_controllo_pressione1gt
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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RECOMMANDATIONS
1 Faire des tests pour deacuteterminer si la pompe actuelle peut fournir suffisamment de
puissance hydraulique pour opeacuterer les deux veacuterins simultaneacutement comme exigeacutes dans
les normes CMVSS 207-210
2 Poursuivre le projet actuel en soumettant un nouveau mandat agrave lrsquoUQAT pour compleacuteter
la partie de lrsquoautomatisation du banc drsquoessai agrave partir du circuit hydraulique qui a eacuteteacute
conccedilu
3 Ouvrir un dossier recueillant toutes les factures des piegraveces qui seront acheteacutees et
installeacutees sur le banc drsquoessai et y conserver les croquisplans illustrant ces modifications
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BIBLIOGRAPHIE
1 NL RUCKER PRODUCT LTD Hydraulic pneumatic equipment Canadian Edition
Richmond 1980
2 NOAH D MANRING Hydraulic control systems Wiley New Jersey 2005
3 REacuteJEAN LABONVILLE Conception des circuits hydrauliques Presses internationales
Polytechnique 1999
4 HY-SPEC HYDRAULIK Produits lt httphyspeccafrancaisindexhtmgt Derniegravere
mise agrave jour 2010-06-10
5 OMEGA Digital Pressure Gauge lt httpwwwomegacompptstDPG409htmlgt
6 AUTOMATION DIRECT Programmable Controllers
lthttpwwwautomationdirectcomadcShoppingCatalogProgrammable_Controllersgt
7 DUPLOMATIC OLEADINAMICA Proportional
valveslthttpwwwduplomaticcomencategoriesdi_controllo_pressione1gt
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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BIBLIOGRAPHIE
1 NL RUCKER PRODUCT LTD Hydraulic pneumatic equipment Canadian Edition
Richmond 1980
2 NOAH D MANRING Hydraulic control systems Wiley New Jersey 2005
3 REacuteJEAN LABONVILLE Conception des circuits hydrauliques Presses internationales
Polytechnique 1999
4 HY-SPEC HYDRAULIK Produits lt httphyspeccafrancaisindexhtmgt Derniegravere
mise agrave jour 2010-06-10
5 OMEGA Digital Pressure Gauge lt httpwwwomegacompptstDPG409htmlgt
6 AUTOMATION DIRECT Programmable Controllers
lthttpwwwautomationdirectcomadcShoppingCatalogProgrammable_Controllersgt
7 DUPLOMATIC OLEADINAMICA Proportional
valveslthttpwwwduplomaticcomencategoriesdi_controllo_pressione1gt
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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ANNEXE-A Theacuteorie sur les proprieacuteteacutes drsquoun fluide hydraulique
La theacuteorie qui suit a eacuteteacute tireacutee dans son inteacutegraliteacute du livre laquo Conception des circuits
hydrauliques raquo de lrsquoinstitut Polytechnique Elle permet de bien comprendre lrsquoimportance de la
conservation des proprieacuteteacutes fondamentales du fluide hydraulique pour le transport de lrsquoeacutenergie
la lubrification la protection lrsquoeacutetancheacuteiteacute et le refroidissement des composantes du circuit
hydraulique
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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1 Viscositeacute et indice de viscositeacute La viscositeacute est incontestablement la proprieacuteteacute la plus importante drsquoun fluide hydraulique Crsquoest une mesure de la reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement reacutesistance qursquoon exprime agrave lrsquoaide de la viscositeacute dynamique ou de la viscositeacute cineacutematique La viscositeacute laquo ideacuteale raquo drsquoun fluide est un compromis entre plusieurs facteurs Ainsi si on choisit un fluide dont la viscositeacute est trop faible
‐ La lubrification des piegraveces en mouvement est insuffisante on assiste donc agrave un accroissement de lrsquousure des piegraveces et mecircme agrave celui des risques de grippage imputable agrave la rupture du film drsquohuile preacutesent entre les piegraveces (il srsquoagit lagrave drsquoun processus deacutegeacuteneacuteratif par lequel une faible viscositeacute provoque une augmentation de la tempeacuterature du fluide laquelle entraicircne une baisse de sa viscositeacute etc) ce pheacutenomegravene affecte particuliegraverement les pompes les distributeurs et les moteurs modernes dont les piegraveces sont ajusteacutees avec un jeu extrecircmement fiable (quelques micromegravetres)
‐ Lrsquoeacutetancheacuteiteacute entre les piegraveces en mouvement est faible ce qui entraicircne une diminution du rendement et un eacutechauffement des composantes ducirc agrave lrsquoaugmentation du deacutebit de fuites volumeacutetriques (art 411) Souvent mecircme une trop fiable eacutetancheacuteiteacute peut empecirccher que la pression de travail maximale soit atteinte
Par contre si on recourt agrave un fluide dont la viscositeacute est trop eacuteleveacutee
‐ Les pertes de charge augmentent agrave cause de la plus grande reacutesistance du fluide agrave lrsquoeacutecoulement il faut donc davantage drsquoeacutenergie pour que le fluide se deacuteplace dans lrsquoensemble du circuit hydraulique il en reacutesulte une diminution du rendement et une augmentation des tempeacuteratures de fonctionnement (il srsquoagit cette fois drsquoun processus autocorrectif par lequel une augmentation de tempeacuterature provoque une diminution de la viscositeacute du fluide)
‐ La seacuteparation de lrsquoair et du fluide eacutetant plus difficile il y a accroissement des risques de cavitation pendant le fonctionnement du systegraveme
On peut exprimer la variation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature agrave lrsquoaide de la formule empirique de Walther soit
log log 07 log 273 Ougrave υ est exprimeacutee en centistokes (cSt) et ougrave m et g sont des constantes caracteacuteristiques du fluide ndash constantes deacutetermineacutees par la reacutesolution simultaneacutee des deux eacutequations
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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formeacutees en prenant en consideacuteration la viscositeacute cineacutematique du fluide agrave deux tempeacuteratures de reacutefeacuterence habituellement 40 et 100degC En utilisant un abaque de lrsquoASTM (norme ASTM D 341 ann E) on peut pour un fluide donneacute repreacutesenter graphiquement lrsquoeacutequation 111 par une ligne droite (fig 111) Soulignons toutefois que au-dessous de 0degC la lineacuteariteacute de la relation est plus incertaine pour la plupart des fluides hydrauliques modernes chargeacutes drsquoadditifs de toutes sortes
Figure 38 Abaque viscositeacute-tempeacuterature (drsquoapregraves ASTM D 341) montrant la relation de la viscositeacute en fonction de la tempeacuterature pour 4 fluides drsquoindices de viscositeacute diffeacuterents (22 32 46 68)
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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2 Onctuositeacute et pouvoir antiusure Le fait qursquoun fluide soit doteacute de bonne qualiteacute lubrifiante a beaucoup drsquoimportance eacutetant donneacute que les composantes modernes fonctionnent avec des jeux fonctionnels extrecircmement faibles Le fluide hydraulique doit ainsi assurer des frottements minimaux entre les surfaces en mouvement relatif pour que les mouvements des piegraveces soient aiseacutes et que lrsquousure soit la plus faible possible Le degreacute drsquoadheacuterence du fluide avec les surfaces deacutetermine son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave former un film et agrave preacutevenir le contact meacutetal agrave meacutetal et par conseacutequent son efficaciteacute agrave reacuteduire le frottement Cette qualiteacute du fluide qursquoon appelle onctuositeacute doit donc ecirctre excellente si on veut que celui-ci adhegravere aux surfaces des piegraveces mecircme quand elles sont tregraves chaudes On ameacuteliore lrsquoonctuositeacute de la plupart des fluides hydrauliques agrave lrsquoaide drsquoadditifs appeleacutes anti usure et dont les meilleurs contiennent un additif EP (Extreme Pressure) additif qui augmente le pouvoir anti usure du fluide en preacutesence de fortes pressions de contact et de tempeacuteratures eacuteleveacutees entre les surfaces des piegraveces mouvement relatif
3 Deacuteseacutemulsibiliteacute Il est pratiquement impossible drsquoempecirccher lrsquoeau de peacuteneacutetrer dans un systegraveme hydraulique Lrsquoeau srsquoy introduit en effet par les prises drsquoair occasionneacutees par des conduites et des raccords non eacutetanches ou par des joints drsquoeacutetancheacuteiteacute en mauvais eacutetat elle y peacutenegravetre surtout sous la forme drsquoair humide aspireacute dans le reacuteservoir lors des baisses de niveau du fluide et dans les barils conseacutecutivement aux variations de tempeacuterature ndash et ce mecircme si ces barils sont parfaitement eacutetanches au fluide Cet air humide se condense en fines gouttelettes et sous lrsquoeffet des turbulences lrsquoeau et le fluide hydraulique se meacutelangent rapidement pour former une eacutemulsion Un fluide est doteacute drsquoune bonne deacuteseacutemulsibiliteacute se seacutepare facilement et rapidement de lrsquoeau qursquoil peut contenir Gracircce agrave la deacutecantation qui en deacutecoule on peut ensuite presque entiegraverement purger cette eau par le fond du reacuteservoir On ameacuteliore la deacuteseacutemulsibiliteacute des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere par un raffinage tregraves pousseacute et par lrsquoadjonction drsquoun additif approprieacute
4 Reacutesistance agrave la formation de mousse La formation de mousse est due agrave la preacutesence est due agrave la preacutesence drsquoair dissous dans le fluide Bien que la quantiteacute drsquoair qui peut ecirctre dissoute dans un fluide augmente en fonction de la pression et de la tempeacuterature lrsquoair dissous nrsquoexerce aucune influence sur la compressibiliteacute du fluide et sur le fonctionnement des reacutecepteurs Toutefois si agrave cause drsquoune baisse de pression la capaciteacute drsquoabsorption de lrsquoair par le fluide est deacutepasseacutee il y a deacutegagement de bulles drsquoair qui sont entraineacutees vers le reacuteservoir Une certaine quantiteacute de ces bulles peut srsquoaccumuler aux endroits les plus eacuteleveacutes du circuit ainsi que dans les caviteacutes les coudes et les trous borgnes des canalisations Les poches
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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ANNEXE-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
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drsquoair ainsi formeacutees provoquent une baisse notable de la valeur du module de compressibiliteacute eacutequivalente du fluide et entraicircnent par conseacutequent un fonctionnement irreacutegulier des reacutecepteurs Par ailleurs le brassage du fluide et des bulles drsquoair produit de la mousse qui est responsable de deacutebordements du fluide du reacuteservoir de cavitation agrave la pompe et drsquoune baisse importante des qualiteacutes lubrifiantes du fluide
5 Reacutesistance agrave lrsquooxydation La longeacuteviteacute drsquoun fluide autrement dit sa reacutesistance au vieillissement deacutepend de sa reacutesistance agrave lrsquooxydation Lrsquooxydation est une reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de lrsquoair reacuteaction qui progresse drsquoabord lentement puis de plus en plus rapidement au fur et agrave mesure que le fluide se deacuteteacuteriore La composition chimique du fluide en est ainsi modifieacutee Lrsquooxydation produit des eacuteleacutements solubles en geacuteneacuteral des acides qui peuvent attaquer les piegraveces meacutetalliques et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute Lrsquooxydation est en outre accompagneacutee de formation de boues et de vernis qui font gripper les valves bloquent les canalisations et les filtres et reacuteduisent lrsquoefficaciteacute des eacutechangeurs thermiques Les tempeacuteratures de fonctionnement eacuteleveacutees et lrsquoentraicircnement drsquoair dans le fluide activent la reacuteaction du fluide avec lrsquooxygegravene de mecircme plusieurs meacutetaux ndashnotamment le cuivre - lrsquoeau et certains polluants solides preacutesents dans le fluide acceacutelegraverent son oxydation
6 Pouvoir antirouille et pouvoir anticorrosion La rouille est le produit de la reacuteaction chimique du fer avec lrsquooxygegravene de lrsquoair elle entraicircne le deacutepocirct de plaques drsquohydroxyde de fer qui augmentent les dimensions des piegraveces La corrosion quant agrave elle est due agrave la reacuteaction chimique drsquoun meacutetal avec un acide elle ronge le meacutetal et deacutetruit ainsi la preacutecision des piegraveces Ces deux pheacutenomegravenes extrecircmement neacutefastes pour les composantes hydrauliques sont dus agrave lrsquoaction conjointe de lrsquohumiditeacute preacutesente dans le fluide et de lrsquooxydation de celui-ci
7 Point drsquoeacutecoulement Le point drsquoeacutecoulement correspond agrave la plus basse tempeacuterature agrave laquelle un fluide peut couler lorsqursquoon le refroidit sans agitation dans des conditions normaliseacutees Cette caracteacuteristique est tregraves importante lorsque le systegraveme hydraulique doit deacutemarrer agrave de tregraves basses tempeacuteratures ambiantes car le fluide doit alors ecirctre suffisamment liquide pour circuler dans les canalisations et surtout pour ecirctre aspireacute par la pompe Le point drsquoeacutecoulement doit par conseacutequent ecirctre infeacuterieur agrave la plus basse tempeacuterature envisageacutee Pour les fluides drsquoorigine peacutetroliegravere ce sont des additifs inhibiteurs de la cristallisation de la paraffine qui permettent drsquoabaisser le point drsquoeacutecoulement
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-B Facture de la modification du banc drsquoessai par Geliko Inc
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8 Reacutesistance agrave lrsquoinflammation
La reacutesistance agrave lrsquoinflammation est drsquoune importance capitale dans les installations hydrauliques situeacutees agrave proximiteacute de sources de chaleur intense de flammes nues ou de meacutetaux en fusion (p ex dans les fonderies les usines sideacuterurgiques les ateliers de soudage agrave lrsquoarc les usines de traitement thermique les mines etc) Lrsquoutilisation de fluides difficilement inflammables minimise les risques drsquoapparition de foyer drsquoincendie qui peuvent provoquer des blessures et se propager
9 Comptabiliteacute avec les mateacuteriaux
Le fluide hydraulique et les joints drsquoeacutetancheacuteiteacute statiques et dynamiques des composantes hydrauliques doivent ecirctre compatibles En effet puisque le caoutchouc naturel par exemple gonfle et srsquoaltegravere au contact des fluides drsquoorigine peacutetroliegravere on ne doit pas lrsquoutiliser comme mateacuteriau constitutif de joints drsquoeacutetancheacuteiteacute dans les systegravemes ougrave on recourt agrave ces fluides
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
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VincentWLeliegravevre Hiver2011 72
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 73
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 81
ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 74
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 81
ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 71
ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 74
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 76
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 77
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 78
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 78
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-E Manomegravetre digital
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
VincentWLeliegravevre Hiver2011 80
PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS
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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute