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MODULE DES SCIENCES APPLIQUÉES UNITÉ DE CONTRÔLE DU BANC D’ESSAI CMVSS PROJET D’ÉTUDES EN INGÉNIERIE DANS LE CADRE DU PROGRAMME DE BACCALAURÉAT EN GÉNIE ÉLECTROMÉCANIQUE Présenté par : Vincent W. Lelièvre Superviseur : Jean-Paul Langlois, ing., UQAT Représentant industriel : M. Alain Beauséjour, Amobi DATE DU DÉPÔT 29 avril 2011

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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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 12

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

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 14

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

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

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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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 17

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 21

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 22

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 24

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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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

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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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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

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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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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

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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

le m

un s

rapp

prop

amp

12 Le860 mpress

entWLeliegravev

2 Choix des

mi toutes le

sions et les

egraveme On do

omegravetres digi

nifold) et da

taux Les m

ncombrement

valents

21 Limiteur

Figur

fonctionneme

mecircme princip

soleacutenoiumlde pr

pel du ressor

portionnelle

lificateur nu

s amplificateurmA agrave partir deions requis on

PE

vre

s composant

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manomegravetres

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t Par contre

de pression agrave

re 32 Limiteur

ent drsquoun lim

pe geacuteneacuteral qu

roportionnel

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umeacuterique12 q

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EI Uniteacute de c

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circulant dan

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consigne de 4 cartes EDM-M

controcircle du ba

Hiver201

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limiteurs de

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eacutelectrique pro

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ne force eacutele

ns le soleacutenoiuml

ce courant v

eacutelectionneacutees peagrave 20 mA pro

M3112 et 1 cart

anc drsquoessai C

11

preacuteceacutedente

pour pouvoir

e pression agrave

utomatiquem

ction de la p

hoisis selon

pecircche le clie

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

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47

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et agrave des

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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VincentWLeliegravevre Hiver2011 49

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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VincentWLeliegravevre Hiver2011 50

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

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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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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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

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 12

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

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 14

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 15

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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VincentWLeliegravevre Hiver2011 16

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 17

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 18

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 20

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 21

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 22

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

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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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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

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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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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

le m

un s

rapp

prop

amp

12 Le860 mpress

entWLeliegravev

2 Choix des

mi toutes le

sions et les

egraveme On do

omegravetres digi

nifold) et da

taux Les m

ncombrement

valents

21 Limiteur

Figur

fonctionneme

mecircme princip

soleacutenoiumlde pr

pel du ressor

portionnelle

lificateur nu

s amplificateurmA agrave partir deions requis on

PE

vre

s composant

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manomegravetres

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ans les cham

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t Par contre

de pression agrave

re 32 Limiteur

ent drsquoun lim

pe geacuteneacuteral qu

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rt est rempl

au courant c

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rs numeacuteriques e signaux de c

n a recours agrave 2

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agrave commande eacute

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miteur agrave pres

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circulant dan

qui fournira

qui ont eacuteteacute seacute

consigne de 4 cartes EDM-M

controcircle du ba

Hiver201

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re changeacutes p

limiteurs de

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eacuterins en fonc

eacutes ont eacuteteacute ch

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eacutelectrique pro

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ne force eacutele

ns le soleacutenoiuml

ce courant v

eacutelectionneacutees peagrave 20 mA pro

M3112 et 1 cart

anc drsquoessai C

11

preacuteceacutedente

pour pouvoir

e pression agrave

utomatiquem

ction de la p

hoisis selon

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oportionnelle

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mande eacutelectr

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variable au s

euvent fournir ovenant de lrsquoAte EDM-M112

CMVSS

section seu

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47

teurs de

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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

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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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 49

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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VincentWLeliegravevre Hiver2011 50

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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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

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

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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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

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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

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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

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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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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

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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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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

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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

12 Le860 mpress

entWLeliegravev

2 Choix des

mi toutes le

sions et les

egraveme On do

omegravetres digi

nifold) et da

taux Les m

ncombrement

valents

21 Limiteur

Figur

fonctionneme

mecircme princip

soleacutenoiumlde pr

pel du ressor

portionnelle

lificateur nu

s amplificateurmA agrave partir deions requis on

PE

vre

s composant

es composan

manomegravetres

it avoir reco

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ans les cham

odegraveles qui s

t Par contre

de pression agrave

re 32 Limiteur

ent drsquoun lim

pe geacuteneacuteral qu

roportionnel

rt est rempl

au courant c

umeacuterique12 q

rs numeacuteriques e signaux de c

n a recours agrave 2

EI Uniteacute de c

es

ntes eacutetudieacutee

s doivent ecirctr

ours agrave des l

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mbres des veacute

sont proposeacute

e il nrsquoy a r

agrave commande eacute

r de pression agrave c

miteur agrave pres

ursquoun limiteur

au lieu drsquoecirc

laceacutee par un

circulant dan

qui fournira

qui ont eacuteteacute seacute

consigne de 4 cartes EDM-M

controcircle du ba

Hiver201

es dans la p

re changeacutes p

limiteurs de

ugmenter au

eacuterins en fonc

eacutes ont eacuteteacute ch

rien qui emp

eacutelectrique pro

commande eacutelect

sion agrave comm

r de pression

ecirctre comman

ne force eacutele

ns le soleacutenoiuml

ce courant v

eacutelectionneacutees peagrave 20 mA pro

M3112 et 1 cart

anc drsquoessai C

11

preacuteceacutedente

pour pouvoir

e pression agrave

utomatiquem

ction de la p

hoisis selon

pecircche le clie

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

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agrave commande

ment la pressi

pression lue

des critegraveres

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La pression

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tique La pr

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soleacutenoiumlde P

des signaux eAPI Pour alim

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e eacutelectrique

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s de compat

sir drsquoautres

e cartouche

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glage et la

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Par ailleurs p

en courant de 2menter les 5 lim

47

teurs de

sation du

et agrave des

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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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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 49

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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VincentWLeliegravevre Hiver2011 50

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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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

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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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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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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

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

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 64

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

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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

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

le m

un s

rapp

prop

amp

12 Le860 mpress

entWLeliegravev

2 Choix des

mi toutes le

sions et les

egraveme On do

omegravetres digi

nifold) et da

taux Les m

ncombrement

valents

21 Limiteur

Figur

fonctionneme

mecircme princip

soleacutenoiumlde pr

pel du ressor

portionnelle

lificateur nu

s amplificateurmA agrave partir deions requis on

PE

vre

s composant

es composan

manomegravetres

it avoir reco

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ans les cham

odegraveles qui s

t Par contre

de pression agrave

re 32 Limiteur

ent drsquoun lim

pe geacuteneacuteral qu

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rt est rempl

au courant c

umeacuterique12 q

rs numeacuteriques e signaux de c

n a recours agrave 2

EI Uniteacute de c

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s doivent ecirctr

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e il nrsquoy a r

agrave commande eacute

r de pression agrave c

miteur agrave pres

ursquoun limiteur

au lieu drsquoecirc

laceacutee par un

circulant dan

qui fournira

qui ont eacuteteacute seacute

consigne de 4 cartes EDM-M

controcircle du ba

Hiver201

es dans la p

re changeacutes p

limiteurs de

ugmenter au

eacuterins en fonc

eacutes ont eacuteteacute ch

rien qui emp

eacutelectrique pro

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sion agrave comm

r de pression

ecirctre comman

ne force eacutele

ns le soleacutenoiuml

ce courant v

eacutelectionneacutees peagrave 20 mA pro

M3112 et 1 cart

anc drsquoessai C

11

preacuteceacutedente

pour pouvoir

e pression agrave

utomatiquem

ction de la p

hoisis selon

pecircche le clie

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

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agrave commande

ment la pressi

pression lue

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La pression

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soleacutenoiumlde P

des signaux eAPI Pour alim

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e eacutelectrique

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sir drsquoautres

e cartouche

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n est comman

glage et la

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Par ailleurs p

en courant de 2menter les 5 lim

47

teurs de

sation du

et agrave des

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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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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 49

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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VincentWLeliegravevre Hiver2011 50

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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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

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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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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

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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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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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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

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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VincentWLeliegravevre Hiver2011 61

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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VincentWLeliegravevre Hiver2011 62

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

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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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

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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

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

le m

un s

rapp

prop

amp

12 Le860 mpress

entWLeliegravev

2 Choix des

mi toutes le

sions et les

egraveme On do

omegravetres digi

nifold) et da

taux Les m

ncombrement

valents

21 Limiteur

Figur

fonctionneme

mecircme princip

soleacutenoiumlde pr

pel du ressor

portionnelle

lificateur nu

s amplificateurmA agrave partir deions requis on

PE

vre

s composant

es composan

manomegravetres

it avoir reco

itaux On po

ans les cham

odegraveles qui s

t Par contre

de pression agrave

re 32 Limiteur

ent drsquoun lim

pe geacuteneacuteral qu

roportionnel

rt est rempl

au courant c

umeacuterique12 q

rs numeacuteriques e signaux de c

n a recours agrave 2

EI Uniteacute de c

es

ntes eacutetudieacutee

s doivent ecirctr

ours agrave des l

ourra ainsi au

mbres des veacute

sont proposeacute

e il nrsquoy a r

agrave commande eacute

r de pression agrave c

miteur agrave pres

ursquoun limiteur

au lieu drsquoecirc

laceacutee par un

circulant dan

qui fournira

qui ont eacuteteacute seacute

consigne de 4 cartes EDM-M

controcircle du ba

Hiver201

es dans la p

re changeacutes p

limiteurs de

ugmenter au

eacuterins en fonc

eacutes ont eacuteteacute ch

rien qui emp

eacutelectrique pro

commande eacutelect

sion agrave comm

r de pression

ecirctre comman

ne force eacutele

ns le soleacutenoiuml

ce courant v

eacutelectionneacutees peagrave 20 mA pro

M3112 et 1 cart

anc drsquoessai C

11

preacuteceacutedente

pour pouvoir

e pression agrave

utomatiquem

ction de la p

hoisis selon

pecircche le clie

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

ment la pressi

pression lue

des critegraveres

ent de chois

e

ionnelle de type

rique propor

La pression

ne vis de reacuteg

tique La pr

automate pr

soleacutenoiumlde P

des signaux eAPI Pour alim

uls les limit

agrave lrsquoautomatis

e eacutelectrique

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sur les man

s de compat

sir drsquoautres

e cartouche

rtionnelle re

n est comman

glage et la

ression de s

rogrammable

Par ailleurs p

en courant de 2menter les 5 lim

47

teurs de

sation du

et agrave des

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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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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 49

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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VincentWLeliegravevre Hiver2011 50

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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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

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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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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

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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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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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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

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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VincentWLeliegravevre Hiver2011 64

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

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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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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

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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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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

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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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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

le m

un s

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12 Le860 mpress

entWLeliegravev

2 Choix des

mi toutes le

sions et les

egraveme On do

omegravetres digi

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valents

21 Limiteur

Figur

fonctionneme

mecircme princip

soleacutenoiumlde pr

pel du ressor

portionnelle

lificateur nu

s amplificateurmA agrave partir deions requis on

PE

vre

s composant

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manomegravetres

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de pression agrave

re 32 Limiteur

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pe geacuteneacuteral qu

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qui ont eacuteteacute seacute

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controcircle du ba

Hiver201

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ns le soleacutenoiuml

ce courant v

eacutelectionneacutees peagrave 20 mA pro

M3112 et 1 cart

anc drsquoessai C

11

preacuteceacutedente

pour pouvoir

e pression agrave

utomatiquem

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hoisis selon

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euvent fournir ovenant de lrsquoAte EDM-M112

CMVSS

section seu

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47

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nomegravetres

tibiliteacute et

modegraveles

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force de

ortie est

e via un

puisqursquoil

200 mA agrave miteurs de

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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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 49

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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VincentWLeliegravevre Hiver2011 50

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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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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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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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

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 64

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

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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

Parm

press

systegrave

man

(man

digit

drsquoen

eacutequi

342

Le f

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un s

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12 Le860 mpress

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2 Choix des

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valents

21 Limiteur

Figur

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preacuteceacutedente

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CMVSS

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47

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nomegravetres

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epose sur

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ortie est

e via un

puisqursquoil

200 mA agrave miteurs de

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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

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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

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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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

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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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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

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

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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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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

le m

un s

rapp

prop

amp

12 Le860 mpress

entWLeliegravev

2 Choix des

mi toutes le

sions et les

egraveme On do

omegravetres digi

nifold) et da

taux Les m

ncombrement

valents

21 Limiteur

Figur

fonctionneme

mecircme princip

soleacutenoiumlde pr

pel du ressor

portionnelle

lificateur nu

s amplificateurmA agrave partir deions requis on

PE

vre

s composant

es composan

manomegravetres

it avoir reco

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ans les cham

odegraveles qui s

t Par contre

de pression agrave

re 32 Limiteur

ent drsquoun lim

pe geacuteneacuteral qu

roportionnel

rt est rempl

au courant c

umeacuterique12 q

rs numeacuteriques e signaux de c

n a recours agrave 2

EI Uniteacute de c

es

ntes eacutetudieacutee

s doivent ecirctr

ours agrave des l

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sont proposeacute

e il nrsquoy a r

agrave commande eacute

r de pression agrave c

miteur agrave pres

ursquoun limiteur

au lieu drsquoecirc

laceacutee par un

circulant dan

qui fournira

qui ont eacuteteacute seacute

consigne de 4 cartes EDM-M

controcircle du ba

Hiver201

es dans la p

re changeacutes p

limiteurs de

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eacuterins en fonc

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eacutelectrique pro

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r de pression

ecirctre comman

ne force eacutele

ns le soleacutenoiuml

ce courant v

eacutelectionneacutees peagrave 20 mA pro

M3112 et 1 cart

anc drsquoessai C

11

preacuteceacutedente

pour pouvoir

e pression agrave

utomatiquem

ction de la p

hoisis selon

pecircche le clie

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

ment la pressi

pression lue

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ent de chois

e

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rique propor

La pression

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tique La pr

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soleacutenoiumlde P

des signaux eAPI Pour alim

uls les limit

agrave lrsquoautomatis

e eacutelectrique

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s de compat

sir drsquoautres

e cartouche

rtionnelle re

n est comman

glage et la

ression de s

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Par ailleurs p

en courant de 2menter les 5 lim

47

teurs de

sation du

et agrave des

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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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

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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

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

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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

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

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 16

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

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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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 20

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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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

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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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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

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VincentWLeliegravevre Hiver2011 38

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 40

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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VincentWLeliegravevre Hiver2011 44

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

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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

12 Le860 mpress

entWLeliegravev

2 Choix des

mi toutes le

sions et les

egraveme On do

omegravetres digi

nifold) et da

taux Les m

ncombrement

valents

21 Limiteur

Figur

fonctionneme

mecircme princip

soleacutenoiumlde pr

pel du ressor

portionnelle

lificateur nu

s amplificateurmA agrave partir deions requis on

PE

vre

s composant

es composan

manomegravetres

it avoir reco

itaux On po

ans les cham

odegraveles qui s

t Par contre

de pression agrave

re 32 Limiteur

ent drsquoun lim

pe geacuteneacuteral qu

roportionnel

rt est rempl

au courant c

umeacuterique12 q

rs numeacuteriques e signaux de c

n a recours agrave 2

EI Uniteacute de c

es

ntes eacutetudieacutee

s doivent ecirctr

ours agrave des l

ourra ainsi au

mbres des veacute

sont proposeacute

e il nrsquoy a r

agrave commande eacute

r de pression agrave c

miteur agrave pres

ursquoun limiteur

au lieu drsquoecirc

laceacutee par un

circulant dan

qui fournira

qui ont eacuteteacute seacute

consigne de 4 cartes EDM-M

controcircle du ba

Hiver201

es dans la p

re changeacutes p

limiteurs de

ugmenter au

eacuterins en fonc

eacutes ont eacuteteacute ch

rien qui emp

eacutelectrique pro

commande eacutelect

sion agrave comm

r de pression

ecirctre comman

ne force eacutele

ns le soleacutenoiuml

ce courant v

eacutelectionneacutees peagrave 20 mA pro

M3112 et 1 cart

anc drsquoessai C

11

preacuteceacutedente

pour pouvoir

e pression agrave

utomatiquem

ction de la p

hoisis selon

pecircche le clie

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

ment la pressi

pression lue

des critegraveres

ent de chois

e

ionnelle de type

rique propor

La pression

ne vis de reacuteg

tique La pr

automate pr

soleacutenoiumlde P

des signaux eAPI Pour alim

uls les limit

agrave lrsquoautomatis

e eacutelectrique

ion dans le b

sur les man

s de compat

sir drsquoautres

e cartouche

rtionnelle re

n est comman

glage et la

ression de s

rogrammable

Par ailleurs p

en courant de 2menter les 5 lim

47

teurs de

sation du

et agrave des

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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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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 49

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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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

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

BIBLIOGRAPHIE

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7 DUPLOMATIC OLEADINAMICA Proportional

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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

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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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

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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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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

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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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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

le m

un s

rapp

prop

amp

12 Le860 mpress

entWLeliegravev

2 Choix des

mi toutes le

sions et les

egraveme On do

omegravetres digi

nifold) et da

taux Les m

ncombrement

valents

21 Limiteur

Figur

fonctionneme

mecircme princip

soleacutenoiumlde pr

pel du ressor

portionnelle

lificateur nu

s amplificateurmA agrave partir deions requis on

PE

vre

s composant

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manomegravetres

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ans les cham

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t Par contre

de pression agrave

re 32 Limiteur

ent drsquoun lim

pe geacuteneacuteral qu

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au courant c

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qui ont eacuteteacute seacute

consigne de 4 cartes EDM-M

controcircle du ba

Hiver201

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re changeacutes p

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ns le soleacutenoiuml

ce courant v

eacutelectionneacutees peagrave 20 mA pro

M3112 et 1 cart

anc drsquoessai C

11

preacuteceacutedente

pour pouvoir

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utomatiquem

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euvent fournir ovenant de lrsquoAte EDM-M112

CMVSS

section seu

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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

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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

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VincentWLeliegravevre Hiver2011 49

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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VincentWLeliegravevre Hiver2011 50

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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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

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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

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

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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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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

le m

un s

rapp

prop

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12 Le860 mpress

entWLeliegravev

2 Choix des

mi toutes le

sions et les

egraveme On do

omegravetres digi

nifold) et da

taux Les m

ncombrement

valents

21 Limiteur

Figur

fonctionneme

mecircme princip

soleacutenoiumlde pr

pel du ressor

portionnelle

lificateur nu

s amplificateurmA agrave partir deions requis on

PE

vre

s composant

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manomegravetres

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de pression agrave

re 32 Limiteur

ent drsquoun lim

pe geacuteneacuteral qu

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EI Uniteacute de c

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circulant dan

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qui ont eacuteteacute seacute

consigne de 4 cartes EDM-M

controcircle du ba

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r de pression

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ce courant v

eacutelectionneacutees peagrave 20 mA pro

M3112 et 1 cart

anc drsquoessai C

11

preacuteceacutedente

pour pouvoir

e pression agrave

utomatiquem

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euvent fournir ovenant de lrsquoAte EDM-M112

CMVSS

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rique propor

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soleacutenoiumlde P

des signaux eAPI Pour alim

uls les limit

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e eacutelectrique

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s de compat

sir drsquoautres

e cartouche

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n est comman

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en courant de 2menter les 5 lim

47

teurs de

sation du

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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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

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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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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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VincentWLeliegravevre Hiver2011 42

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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VincentWLeliegravevre Hiver2011 44

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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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

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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

12 Le860 mpress

entWLeliegravev

2 Choix des

mi toutes le

sions et les

egraveme On do

omegravetres digi

nifold) et da

taux Les m

ncombrement

valents

21 Limiteur

Figur

fonctionneme

mecircme princip

soleacutenoiumlde pr

pel du ressor

portionnelle

lificateur nu

s amplificateurmA agrave partir deions requis on

PE

vre

s composant

es composan

manomegravetres

it avoir reco

itaux On po

ans les cham

odegraveles qui s

t Par contre

de pression agrave

re 32 Limiteur

ent drsquoun lim

pe geacuteneacuteral qu

roportionnel

rt est rempl

au courant c

umeacuterique12 q

rs numeacuteriques e signaux de c

n a recours agrave 2

EI Uniteacute de c

es

ntes eacutetudieacutee

s doivent ecirctr

ours agrave des l

ourra ainsi au

mbres des veacute

sont proposeacute

e il nrsquoy a r

agrave commande eacute

r de pression agrave c

miteur agrave pres

ursquoun limiteur

au lieu drsquoecirc

laceacutee par un

circulant dan

qui fournira

qui ont eacuteteacute seacute

consigne de 4 cartes EDM-M

controcircle du ba

Hiver201

es dans la p

re changeacutes p

limiteurs de

ugmenter au

eacuterins en fonc

eacutes ont eacuteteacute ch

rien qui emp

eacutelectrique pro

commande eacutelect

sion agrave comm

r de pression

ecirctre comman

ne force eacutele

ns le soleacutenoiuml

ce courant v

eacutelectionneacutees peagrave 20 mA pro

M3112 et 1 cart

anc drsquoessai C

11

preacuteceacutedente

pour pouvoir

e pression agrave

utomatiquem

ction de la p

hoisis selon

pecircche le clie

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

ment la pressi

pression lue

des critegraveres

ent de chois

e

ionnelle de type

rique propor

La pression

ne vis de reacuteg

tique La pr

automate pr

soleacutenoiumlde P

des signaux eAPI Pour alim

uls les limit

agrave lrsquoautomatis

e eacutelectrique

ion dans le b

sur les man

s de compat

sir drsquoautres

e cartouche

rtionnelle re

n est comman

glage et la

ression de s

rogrammable

Par ailleurs p

en courant de 2menter les 5 lim

47

teurs de

sation du

et agrave des

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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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

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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

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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

BIBLIOGRAPHIE

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7 DUPLOMATIC OLEADINAMICA Proportional

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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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VincentWLeliegravevre Hiver2011 61

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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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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un s

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12 Le860 mpress

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2 Choix des

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valents

21 Limiteur

Figur

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CMVSS

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47

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nomegravetres

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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

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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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VincentWLeliegravevre Hiver2011 16

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

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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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VincentWLeliegravevre Hiver2011 20

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

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

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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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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

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VincentWLeliegravevre Hiver2011 38

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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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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 40

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 41

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 42

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 43

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 44

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

le m

un s

rapp

prop

amp

12 Le860 mpress

entWLeliegravev

2 Choix des

mi toutes le

sions et les

egraveme On do

omegravetres digi

nifold) et da

taux Les m

ncombrement

valents

21 Limiteur

Figur

fonctionneme

mecircme princip

soleacutenoiumlde pr

pel du ressor

portionnelle

lificateur nu

s amplificateurmA agrave partir deions requis on

PE

vre

s composant

es composan

manomegravetres

it avoir reco

itaux On po

ans les cham

odegraveles qui s

t Par contre

de pression agrave

re 32 Limiteur

ent drsquoun lim

pe geacuteneacuteral qu

roportionnel

rt est rempl

au courant c

umeacuterique12 q

rs numeacuteriques e signaux de c

n a recours agrave 2

EI Uniteacute de c

es

ntes eacutetudieacutee

s doivent ecirctr

ours agrave des l

ourra ainsi au

mbres des veacute

sont proposeacute

e il nrsquoy a r

agrave commande eacute

r de pression agrave c

miteur agrave pres

ursquoun limiteur

au lieu drsquoecirc

laceacutee par un

circulant dan

qui fournira

qui ont eacuteteacute seacute

consigne de 4 cartes EDM-M

controcircle du ba

Hiver201

es dans la p

re changeacutes p

limiteurs de

ugmenter au

eacuterins en fonc

eacutes ont eacuteteacute ch

rien qui emp

eacutelectrique pro

commande eacutelect

sion agrave comm

r de pression

ecirctre comman

ne force eacutele

ns le soleacutenoiuml

ce courant v

eacutelectionneacutees peagrave 20 mA pro

M3112 et 1 cart

anc drsquoessai C

11

preacuteceacutedente

pour pouvoir

e pression agrave

utomatiquem

ction de la p

hoisis selon

pecircche le clie

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

ment la pressi

pression lue

des critegraveres

ent de chois

e

ionnelle de type

rique propor

La pression

ne vis de reacuteg

tique La pr

automate pr

soleacutenoiumlde P

des signaux eAPI Pour alim

uls les limit

agrave lrsquoautomatis

e eacutelectrique

ion dans le b

sur les man

s de compat

sir drsquoautres

e cartouche

rtionnelle re

n est comman

glage et la

ression de s

rogrammable

Par ailleurs p

en courant de 2menter les 5 lim

47

teurs de

sation du

et agrave des

bloc foreacute

nomegravetres

tibiliteacute et

modegraveles

epose sur

ndeacutee par

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 49

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 50

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

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

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

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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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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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

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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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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

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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

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VincentWLeliegravevre Hiver2011 33

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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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)

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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

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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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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

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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

le m

un s

rapp

prop

amp

12 Le860 mpress

entWLeliegravev

2 Choix des

mi toutes le

sions et les

egraveme On do

omegravetres digi

nifold) et da

taux Les m

ncombrement

valents

21 Limiteur

Figur

fonctionneme

mecircme princip

soleacutenoiumlde pr

pel du ressor

portionnelle

lificateur nu

s amplificateurmA agrave partir deions requis on

PE

vre

s composant

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manomegravetres

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itaux On po

ans les cham

odegraveles qui s

t Par contre

de pression agrave

re 32 Limiteur

ent drsquoun lim

pe geacuteneacuteral qu

roportionnel

rt est rempl

au courant c

umeacuterique12 q

rs numeacuteriques e signaux de c

n a recours agrave 2

EI Uniteacute de c

es

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s doivent ecirctr

ours agrave des l

ourra ainsi au

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e il nrsquoy a r

agrave commande eacute

r de pression agrave c

miteur agrave pres

ursquoun limiteur

au lieu drsquoecirc

laceacutee par un

circulant dan

qui fournira

qui ont eacuteteacute seacute

consigne de 4 cartes EDM-M

controcircle du ba

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limiteurs de

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eacuterins en fonc

eacutes ont eacuteteacute ch

rien qui emp

eacutelectrique pro

commande eacutelect

sion agrave comm

r de pression

ecirctre comman

ne force eacutele

ns le soleacutenoiuml

ce courant v

eacutelectionneacutees peagrave 20 mA pro

M3112 et 1 cart

anc drsquoessai C

11

preacuteceacutedente

pour pouvoir

e pression agrave

utomatiquem

ction de la p

hoisis selon

pecircche le clie

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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des critegraveres

ent de chois

e

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soleacutenoiumlde P

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uls les limit

agrave lrsquoautomatis

e eacutelectrique

ion dans le b

sur les man

s de compat

sir drsquoautres

e cartouche

rtionnelle re

n est comman

glage et la

ression de s

rogrammable

Par ailleurs p

en courant de 2menter les 5 lim

47

teurs de

sation du

et agrave des

bloc foreacute

nomegravetres

tibiliteacute et

modegraveles

epose sur

ndeacutee par

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

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VincentWLeliegravevre Hiver2011 49

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

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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

12 Le860 mpress

entWLeliegravev

2 Choix des

mi toutes le

sions et les

egraveme On do

omegravetres digi

nifold) et da

taux Les m

ncombrement

valents

21 Limiteur

Figur

fonctionneme

mecircme princip

soleacutenoiumlde pr

pel du ressor

portionnelle

lificateur nu

s amplificateurmA agrave partir deions requis on

PE

vre

s composant

es composan

manomegravetres

it avoir reco

itaux On po

ans les cham

odegraveles qui s

t Par contre

de pression agrave

re 32 Limiteur

ent drsquoun lim

pe geacuteneacuteral qu

roportionnel

rt est rempl

au courant c

umeacuterique12 q

rs numeacuteriques e signaux de c

n a recours agrave 2

EI Uniteacute de c

es

ntes eacutetudieacutee

s doivent ecirctr

ours agrave des l

ourra ainsi au

mbres des veacute

sont proposeacute

e il nrsquoy a r

agrave commande eacute

r de pression agrave c

miteur agrave pres

ursquoun limiteur

au lieu drsquoecirc

laceacutee par un

circulant dan

qui fournira

qui ont eacuteteacute seacute

consigne de 4 cartes EDM-M

controcircle du ba

Hiver201

es dans la p

re changeacutes p

limiteurs de

ugmenter au

eacuterins en fonc

eacutes ont eacuteteacute ch

rien qui emp

eacutelectrique pro

commande eacutelect

sion agrave comm

r de pression

ecirctre comman

ne force eacutele

ns le soleacutenoiuml

ce courant v

eacutelectionneacutees peagrave 20 mA pro

M3112 et 1 cart

anc drsquoessai C

11

preacuteceacutedente

pour pouvoir

e pression agrave

utomatiquem

ction de la p

hoisis selon

pecircche le clie

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

ment la pressi

pression lue

des critegraveres

ent de chois

e

ionnelle de type

rique propor

La pression

ne vis de reacuteg

tique La pr

automate pr

soleacutenoiumlde P

des signaux eAPI Pour alim

uls les limit

agrave lrsquoautomatis

e eacutelectrique

ion dans le b

sur les man

s de compat

sir drsquoautres

e cartouche

rtionnelle re

n est comman

glage et la

ression de s

rogrammable

Par ailleurs p

en courant de 2menter les 5 lim

47

teurs de

sation du

et agrave des

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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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

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

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VincentWLeliegravevre Hiver2011 38

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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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

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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

le m

un s

rapp

prop

amp

12 Le860 mpress

entWLeliegravev

2 Choix des

mi toutes le

sions et les

egraveme On do

omegravetres digi

nifold) et da

taux Les m

ncombrement

valents

21 Limiteur

Figur

fonctionneme

mecircme princip

soleacutenoiumlde pr

pel du ressor

portionnelle

lificateur nu

s amplificateurmA agrave partir deions requis on

PE

vre

s composant

es composan

manomegravetres

it avoir reco

itaux On po

ans les cham

odegraveles qui s

t Par contre

de pression agrave

re 32 Limiteur

ent drsquoun lim

pe geacuteneacuteral qu

roportionnel

rt est rempl

au courant c

umeacuterique12 q

rs numeacuteriques e signaux de c

n a recours agrave 2

EI Uniteacute de c

es

ntes eacutetudieacutee

s doivent ecirctr

ours agrave des l

ourra ainsi au

mbres des veacute

sont proposeacute

e il nrsquoy a r

agrave commande eacute

r de pression agrave c

miteur agrave pres

ursquoun limiteur

au lieu drsquoecirc

laceacutee par un

circulant dan

qui fournira

qui ont eacuteteacute seacute

consigne de 4 cartes EDM-M

controcircle du ba

Hiver201

es dans la p

re changeacutes p

limiteurs de

ugmenter au

eacuterins en fonc

eacutes ont eacuteteacute ch

rien qui emp

eacutelectrique pro

commande eacutelect

sion agrave comm

r de pression

ecirctre comman

ne force eacutele

ns le soleacutenoiuml

ce courant v

eacutelectionneacutees peagrave 20 mA pro

M3112 et 1 cart

anc drsquoessai C

11

preacuteceacutedente

pour pouvoir

e pression agrave

utomatiquem

ction de la p

hoisis selon

pecircche le clie

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

ment la pressi

pression lue

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ent de chois

e

ionnelle de type

rique propor

La pression

ne vis de reacuteg

tique La pr

automate pr

soleacutenoiumlde P

des signaux eAPI Pour alim

uls les limit

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e eacutelectrique

ion dans le b

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s de compat

sir drsquoautres

e cartouche

rtionnelle re

n est comman

glage et la

ression de s

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Par ailleurs p

en courant de 2menter les 5 lim

47

teurs de

sation du

et agrave des

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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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

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VincentWLeliegravevre Hiver2011 49

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

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

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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

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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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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

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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

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342

Le f

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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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 44

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

le m

un s

rapp

prop

amp

12 Le860 mpress

entWLeliegravev

2 Choix des

mi toutes le

sions et les

egraveme On do

omegravetres digi

nifold) et da

taux Les m

ncombrement

valents

21 Limiteur

Figur

fonctionneme

mecircme princip

soleacutenoiumlde pr

pel du ressor

portionnelle

lificateur nu

s amplificateurmA agrave partir deions requis on

PE

vre

s composant

es composan

manomegravetres

it avoir reco

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ans les cham

odegraveles qui s

t Par contre

de pression agrave

re 32 Limiteur

ent drsquoun lim

pe geacuteneacuteral qu

roportionnel

rt est rempl

au courant c

umeacuterique12 q

rs numeacuteriques e signaux de c

n a recours agrave 2

EI Uniteacute de c

es

ntes eacutetudieacutee

s doivent ecirctr

ours agrave des l

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sont proposeacute

e il nrsquoy a r

agrave commande eacute

r de pression agrave c

miteur agrave pres

ursquoun limiteur

au lieu drsquoecirc

laceacutee par un

circulant dan

qui fournira

qui ont eacuteteacute seacute

consigne de 4 cartes EDM-M

controcircle du ba

Hiver201

es dans la p

re changeacutes p

limiteurs de

ugmenter au

eacuterins en fonc

eacutes ont eacuteteacute ch

rien qui emp

eacutelectrique pro

commande eacutelect

sion agrave comm

r de pression

ecirctre comman

ne force eacutele

ns le soleacutenoiuml

ce courant v

eacutelectionneacutees peagrave 20 mA pro

M3112 et 1 cart

anc drsquoessai C

11

preacuteceacutedente

pour pouvoir

e pression agrave

utomatiquem

ction de la p

hoisis selon

pecircche le clie

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

ment la pressi

pression lue

des critegraveres

ent de chois

e

ionnelle de type

rique propor

La pression

ne vis de reacuteg

tique La pr

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soleacutenoiumlde P

des signaux eAPI Pour alim

uls les limit

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e eacutelectrique

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s de compat

sir drsquoautres

e cartouche

rtionnelle re

n est comman

glage et la

ression de s

rogrammable

Par ailleurs p

en courant de 2menter les 5 lim

47

teurs de

sation du

et agrave des

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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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

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 59

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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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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 38

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 40

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 41

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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VincentWLeliegravevre Hiver2011 44

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

le m

un s

rapp

prop

amp

12 Le860 mpress

entWLeliegravev

2 Choix des

mi toutes le

sions et les

egraveme On do

omegravetres digi

nifold) et da

taux Les m

ncombrement

valents

21 Limiteur

Figur

fonctionneme

mecircme princip

soleacutenoiumlde pr

pel du ressor

portionnelle

lificateur nu

s amplificateurmA agrave partir deions requis on

PE

vre

s composant

es composan

manomegravetres

it avoir reco

itaux On po

ans les cham

odegraveles qui s

t Par contre

de pression agrave

re 32 Limiteur

ent drsquoun lim

pe geacuteneacuteral qu

roportionnel

rt est rempl

au courant c

umeacuterique12 q

rs numeacuteriques e signaux de c

n a recours agrave 2

EI Uniteacute de c

es

ntes eacutetudieacutee

s doivent ecirctr

ours agrave des l

ourra ainsi au

mbres des veacute

sont proposeacute

e il nrsquoy a r

agrave commande eacute

r de pression agrave c

miteur agrave pres

ursquoun limiteur

au lieu drsquoecirc

laceacutee par un

circulant dan

qui fournira

qui ont eacuteteacute seacute

consigne de 4 cartes EDM-M

controcircle du ba

Hiver201

es dans la p

re changeacutes p

limiteurs de

ugmenter au

eacuterins en fonc

eacutes ont eacuteteacute ch

rien qui emp

eacutelectrique pro

commande eacutelect

sion agrave comm

r de pression

ecirctre comman

ne force eacutele

ns le soleacutenoiuml

ce courant v

eacutelectionneacutees peagrave 20 mA pro

M3112 et 1 cart

anc drsquoessai C

11

preacuteceacutedente

pour pouvoir

e pression agrave

utomatiquem

ction de la p

hoisis selon

pecircche le clie

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

ment la pressi

pression lue

des critegraveres

ent de chois

e

ionnelle de type

rique propor

La pression

ne vis de reacuteg

tique La pr

automate pr

soleacutenoiumlde P

des signaux eAPI Pour alim

uls les limit

agrave lrsquoautomatis

e eacutelectrique

ion dans le b

sur les man

s de compat

sir drsquoautres

e cartouche

rtionnelle re

n est comman

glage et la

ression de s

rogrammable

Par ailleurs p

en courant de 2menter les 5 lim

47

teurs de

sation du

et agrave des

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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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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 49

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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VincentWLeliegravevre Hiver2011 50

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

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

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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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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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VincentWLeliegravevre Hiver2011 33

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

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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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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

le m

un s

rapp

prop

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12 Le860 mpress

entWLeliegravev

2 Choix des

mi toutes le

sions et les

egraveme On do

omegravetres digi

nifold) et da

taux Les m

ncombrement

valents

21 Limiteur

Figur

fonctionneme

mecircme princip

soleacutenoiumlde pr

pel du ressor

portionnelle

lificateur nu

s amplificateurmA agrave partir deions requis on

PE

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s composant

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manomegravetres

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t Par contre

de pression agrave

re 32 Limiteur

ent drsquoun lim

pe geacuteneacuteral qu

roportionnel

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au courant c

umeacuterique12 q

rs numeacuteriques e signaux de c

n a recours agrave 2

EI Uniteacute de c

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e il nrsquoy a r

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r de pression agrave c

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circulant dan

qui fournira

qui ont eacuteteacute seacute

consigne de 4 cartes EDM-M

controcircle du ba

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r de pression

ecirctre comman

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ce courant v

eacutelectionneacutees peagrave 20 mA pro

M3112 et 1 cart

anc drsquoessai C

11

preacuteceacutedente

pour pouvoir

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utomatiquem

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euvent fournir ovenant de lrsquoAte EDM-M112

CMVSS

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soleacutenoiumlde P

des signaux eAPI Pour alim

uls les limit

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e eacutelectrique

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s de compat

sir drsquoautres

e cartouche

rtionnelle re

n est comman

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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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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

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VincentWLeliegravevre Hiver2011 49

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

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

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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

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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

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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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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

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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

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VincentWLeliegravevre Hiver2011 33

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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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)

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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

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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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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

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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

le m

un s

rapp

prop

amp

12 Le860 mpress

entWLeliegravev

2 Choix des

mi toutes le

sions et les

egraveme On do

omegravetres digi

nifold) et da

taux Les m

ncombrement

valents

21 Limiteur

Figur

fonctionneme

mecircme princip

soleacutenoiumlde pr

pel du ressor

portionnelle

lificateur nu

s amplificateurmA agrave partir deions requis on

PE

vre

s composant

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manomegravetres

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itaux On po

ans les cham

odegraveles qui s

t Par contre

de pression agrave

re 32 Limiteur

ent drsquoun lim

pe geacuteneacuteral qu

roportionnel

rt est rempl

au courant c

umeacuterique12 q

rs numeacuteriques e signaux de c

n a recours agrave 2

EI Uniteacute de c

es

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s doivent ecirctr

ours agrave des l

ourra ainsi au

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e il nrsquoy a r

agrave commande eacute

r de pression agrave c

miteur agrave pres

ursquoun limiteur

au lieu drsquoecirc

laceacutee par un

circulant dan

qui fournira

qui ont eacuteteacute seacute

consigne de 4 cartes EDM-M

controcircle du ba

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limiteurs de

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eacuterins en fonc

eacutes ont eacuteteacute ch

rien qui emp

eacutelectrique pro

commande eacutelect

sion agrave comm

r de pression

ecirctre comman

ne force eacutele

ns le soleacutenoiuml

ce courant v

eacutelectionneacutees peagrave 20 mA pro

M3112 et 1 cart

anc drsquoessai C

11

preacuteceacutedente

pour pouvoir

e pression agrave

utomatiquem

ction de la p

hoisis selon

pecircche le clie

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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des critegraveres

ent de chois

e

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soleacutenoiumlde P

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uls les limit

agrave lrsquoautomatis

e eacutelectrique

ion dans le b

sur les man

s de compat

sir drsquoautres

e cartouche

rtionnelle re

n est comman

glage et la

ression de s

rogrammable

Par ailleurs p

en courant de 2menter les 5 lim

47

teurs de

sation du

et agrave des

bloc foreacute

nomegravetres

tibiliteacute et

modegraveles

epose sur

ndeacutee par

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

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VincentWLeliegravevre Hiver2011 49

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

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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

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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

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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

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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

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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

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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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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

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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

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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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VincentWLeliegravevre Hiver2011 40

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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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

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342

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ction de la p

hoisis selon

pecircche le clie

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

ment la pressi

pression lue

des critegraveres

ent de chois

e

ionnelle de type

rique propor

La pression

ne vis de reacuteg

tique La pr

automate pr

soleacutenoiumlde P

des signaux eAPI Pour alim

uls les limit

agrave lrsquoautomatis

e eacutelectrique

ion dans le b

sur les man

s de compat

sir drsquoautres

e cartouche

rtionnelle re

n est comman

glage et la

ression de s

rogrammable

Par ailleurs p

en courant de 2menter les 5 lim

47

teurs de

sation du

et agrave des

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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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

12 Le860 mpress

entWLeliegravev

2 Choix des

mi toutes le

sions et les

egraveme On do

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valents

21 Limiteur

Figur

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mecircme princip

soleacutenoiumlde pr

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PE

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Hiver201

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M3112 et 1 cart

anc drsquoessai C

11

preacuteceacutedente

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CMVSS

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47

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nomegravetres

tibiliteacute et

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e via un

puisqursquoil

200 mA agrave miteurs de

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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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 49

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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VincentWLeliegravevre Hiver2011 50

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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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

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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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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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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

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

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

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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

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

le m

un s

rapp

prop

amp

12 Le860 mpress

entWLeliegravev

2 Choix des

mi toutes le

sions et les

egraveme On do

omegravetres digi

nifold) et da

taux Les m

ncombrement

valents

21 Limiteur

Figur

fonctionneme

mecircme princip

soleacutenoiumlde pr

pel du ressor

portionnelle

lificateur nu

s amplificateurmA agrave partir deions requis on

PE

vre

s composant

es composan

manomegravetres

it avoir reco

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ans les cham

odegraveles qui s

t Par contre

de pression agrave

re 32 Limiteur

ent drsquoun lim

pe geacuteneacuteral qu

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rt est rempl

au courant c

umeacuterique12 q

rs numeacuteriques e signaux de c

n a recours agrave 2

EI Uniteacute de c

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s doivent ecirctr

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e il nrsquoy a r

agrave commande eacute

r de pression agrave c

miteur agrave pres

ursquoun limiteur

au lieu drsquoecirc

laceacutee par un

circulant dan

qui fournira

qui ont eacuteteacute seacute

consigne de 4 cartes EDM-M

controcircle du ba

Hiver201

es dans la p

re changeacutes p

limiteurs de

ugmenter au

eacuterins en fonc

eacutes ont eacuteteacute ch

rien qui emp

eacutelectrique pro

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sion agrave comm

r de pression

ecirctre comman

ne force eacutele

ns le soleacutenoiuml

ce courant v

eacutelectionneacutees peagrave 20 mA pro

M3112 et 1 cart

anc drsquoessai C

11

preacuteceacutedente

pour pouvoir

e pression agrave

utomatiquem

ction de la p

hoisis selon

pecircche le clie

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

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agrave commande

ment la pressi

pression lue

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La pression

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soleacutenoiumlde P

des signaux eAPI Pour alim

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e eacutelectrique

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sir drsquoautres

e cartouche

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n est comman

glage et la

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Par ailleurs p

en courant de 2menter les 5 lim

47

teurs de

sation du

et agrave des

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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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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 49

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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VincentWLeliegravevre Hiver2011 50

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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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

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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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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

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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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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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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

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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VincentWLeliegravevre Hiver2011 61

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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VincentWLeliegravevre Hiver2011 62

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

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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

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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

le m

un s

rapp

prop

amp

12 Le860 mpress

entWLeliegravev

2 Choix des

mi toutes le

sions et les

egraveme On do

omegravetres digi

nifold) et da

taux Les m

ncombrement

valents

21 Limiteur

Figur

fonctionneme

mecircme princip

soleacutenoiumlde pr

pel du ressor

portionnelle

lificateur nu

s amplificateurmA agrave partir deions requis on

PE

vre

s composant

es composan

manomegravetres

it avoir reco

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ans les cham

odegraveles qui s

t Par contre

de pression agrave

re 32 Limiteur

ent drsquoun lim

pe geacuteneacuteral qu

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au courant c

umeacuterique12 q

rs numeacuteriques e signaux de c

n a recours agrave 2

EI Uniteacute de c

es

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s doivent ecirctr

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sont proposeacute

e il nrsquoy a r

agrave commande eacute

r de pression agrave c

miteur agrave pres

ursquoun limiteur

au lieu drsquoecirc

laceacutee par un

circulant dan

qui fournira

qui ont eacuteteacute seacute

consigne de 4 cartes EDM-M

controcircle du ba

Hiver201

es dans la p

re changeacutes p

limiteurs de

ugmenter au

eacuterins en fonc

eacutes ont eacuteteacute ch

rien qui emp

eacutelectrique pro

commande eacutelect

sion agrave comm

r de pression

ecirctre comman

ne force eacutele

ns le soleacutenoiuml

ce courant v

eacutelectionneacutees peagrave 20 mA pro

M3112 et 1 cart

anc drsquoessai C

11

preacuteceacutedente

pour pouvoir

e pression agrave

utomatiquem

ction de la p

hoisis selon

pecircche le clie

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

ment la pressi

pression lue

des critegraveres

ent de chois

e

ionnelle de type

rique propor

La pression

ne vis de reacuteg

tique La pr

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soleacutenoiumlde P

des signaux eAPI Pour alim

uls les limit

agrave lrsquoautomatis

e eacutelectrique

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s de compat

sir drsquoautres

e cartouche

rtionnelle re

n est comman

glage et la

ression de s

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Par ailleurs p

en courant de 2menter les 5 lim

47

teurs de

sation du

et agrave des

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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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

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VincentWLeliegravevre Hiver2011 49

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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VincentWLeliegravevre Hiver2011 50

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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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

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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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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

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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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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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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

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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VincentWLeliegravevre Hiver2011 61

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

Parm

press

systegrave

man

(man

digit

drsquoen

eacutequi

342

Le f

le m

un s

rapp

prop

amp

12 Le860 mpress

entWLeliegravev

2 Choix des

mi toutes le

sions et les

egraveme On do

omegravetres digi

nifold) et da

taux Les m

ncombrement

valents

21 Limiteur

Figur

fonctionneme

mecircme princip

soleacutenoiumlde pr

pel du ressor

portionnelle

lificateur nu

s amplificateurmA agrave partir deions requis on

PE

vre

s composant

es composan

manomegravetres

it avoir reco

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ans les cham

odegraveles qui s

t Par contre

de pression agrave

re 32 Limiteur

ent drsquoun lim

pe geacuteneacuteral qu

roportionnel

rt est rempl

au courant c

umeacuterique12 q

rs numeacuteriques e signaux de c

n a recours agrave 2

EI Uniteacute de c

es

ntes eacutetudieacutee

s doivent ecirctr

ours agrave des l

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sont proposeacute

e il nrsquoy a r

agrave commande eacute

r de pression agrave c

miteur agrave pres

ursquoun limiteur

au lieu drsquoecirc

laceacutee par un

circulant dan

qui fournira

qui ont eacuteteacute seacute

consigne de 4 cartes EDM-M

controcircle du ba

Hiver201

es dans la p

re changeacutes p

limiteurs de

ugmenter au

eacuterins en fonc

eacutes ont eacuteteacute ch

rien qui emp

eacutelectrique pro

commande eacutelect

sion agrave comm

r de pression

ecirctre comman

ne force eacutele

ns le soleacutenoiuml

ce courant v

eacutelectionneacutees peagrave 20 mA pro

M3112 et 1 cart

anc drsquoessai C

11

preacuteceacutedente

pour pouvoir

e pression agrave

utomatiquem

ction de la p

hoisis selon

pecircche le clie

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

ment la pressi

pression lue

des critegraveres

ent de chois

e

ionnelle de type

rique propor

La pression

ne vis de reacuteg

tique La pr

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soleacutenoiumlde P

des signaux eAPI Pour alim

uls les limit

agrave lrsquoautomatis

e eacutelectrique

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s de compat

sir drsquoautres

e cartouche

rtionnelle re

n est comman

glage et la

ression de s

rogrammable

Par ailleurs p

en courant de 2menter les 5 lim

47

teurs de

sation du

et agrave des

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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VincentWLeliegravevre Hiver2011 59

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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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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 44

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

le m

un s

rapp

prop

amp

12 Le860 mpress

entWLeliegravev

2 Choix des

mi toutes le

sions et les

egraveme On do

omegravetres digi

nifold) et da

taux Les m

ncombrement

valents

21 Limiteur

Figur

fonctionneme

mecircme princip

soleacutenoiumlde pr

pel du ressor

portionnelle

lificateur nu

s amplificateurmA agrave partir deions requis on

PE

vre

s composant

es composan

manomegravetres

it avoir reco

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ans les cham

odegraveles qui s

t Par contre

de pression agrave

re 32 Limiteur

ent drsquoun lim

pe geacuteneacuteral qu

roportionnel

rt est rempl

au courant c

umeacuterique12 q

rs numeacuteriques e signaux de c

n a recours agrave 2

EI Uniteacute de c

es

ntes eacutetudieacutee

s doivent ecirctr

ours agrave des l

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sont proposeacute

e il nrsquoy a r

agrave commande eacute

r de pression agrave c

miteur agrave pres

ursquoun limiteur

au lieu drsquoecirc

laceacutee par un

circulant dan

qui fournira

qui ont eacuteteacute seacute

consigne de 4 cartes EDM-M

controcircle du ba

Hiver201

es dans la p

re changeacutes p

limiteurs de

ugmenter au

eacuterins en fonc

eacutes ont eacuteteacute ch

rien qui emp

eacutelectrique pro

commande eacutelect

sion agrave comm

r de pression

ecirctre comman

ne force eacutele

ns le soleacutenoiuml

ce courant v

eacutelectionneacutees peagrave 20 mA pro

M3112 et 1 cart

anc drsquoessai C

11

preacuteceacutedente

pour pouvoir

e pression agrave

utomatiquem

ction de la p

hoisis selon

pecircche le clie

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

ment la pressi

pression lue

des critegraveres

ent de chois

e

ionnelle de type

rique propor

La pression

ne vis de reacuteg

tique La pr

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soleacutenoiumlde P

des signaux eAPI Pour alim

uls les limit

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e eacutelectrique

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s de compat

sir drsquoautres

e cartouche

rtionnelle re

n est comman

glage et la

ression de s

rogrammable

Par ailleurs p

en courant de 2menter les 5 lim

47

teurs de

sation du

et agrave des

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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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

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 59

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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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

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

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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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rapp

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amp

12 Le860 mpress

entWLeliegravev

2 Choix des

mi toutes le

sions et les

egraveme On do

omegravetres digi

nifold) et da

taux Les m

ncombrement

valents

21 Limiteur

Figur

fonctionneme

mecircme princip

soleacutenoiumlde pr

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portionnelle

lificateur nu

s amplificateurmA agrave partir deions requis on

PE

vre

s composant

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manomegravetres

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de pression agrave

re 32 Limiteur

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pe geacuteneacuteral qu

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au courant c

umeacuterique12 q

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r de pression agrave c

miteur agrave pres

ursquoun limiteur

au lieu drsquoecirc

laceacutee par un

circulant dan

qui fournira

qui ont eacuteteacute seacute

consigne de 4 cartes EDM-M

controcircle du ba

Hiver201

es dans la p

re changeacutes p

limiteurs de

ugmenter au

eacuterins en fonc

eacutes ont eacuteteacute ch

rien qui emp

eacutelectrique pro

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r de pression

ecirctre comman

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ns le soleacutenoiuml

ce courant v

eacutelectionneacutees peagrave 20 mA pro

M3112 et 1 cart

anc drsquoessai C

11

preacuteceacutedente

pour pouvoir

e pression agrave

utomatiquem

ction de la p

hoisis selon

pecircche le clie

oportionnelle

trique proporti

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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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La pression

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soleacutenoiumlde P

des signaux eAPI Pour alim

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e eacutelectrique

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s de compat

sir drsquoautres

e cartouche

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en courant de 2menter les 5 lim

47

teurs de

sation du

et agrave des

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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VincentWLeliegravevre Hiver2011 49

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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VincentWLeliegravevre Hiver2011 50

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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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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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

BIBLIOGRAPHIE

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7 DUPLOMATIC OLEADINAMICA Proportional

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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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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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man

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342

Le f

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2 Choix des

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21 Limiteur

Figur

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soleacutenoiumlde pr

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PE

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controcircle du ba

Hiver201

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re changeacutes p

limiteurs de

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eacutelectrique pro

commande eacutelect

sion agrave comm

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ecirctre comman

ne force eacutele

ns le soleacutenoiuml

ce courant v

eacutelectionneacutees peagrave 20 mA pro

M3112 et 1 cart

anc drsquoessai C

11

preacuteceacutedente

pour pouvoir

e pression agrave

utomatiquem

ction de la p

hoisis selon

pecircche le clie

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

ment la pressi

pression lue

des critegraveres

ent de chois

e

ionnelle de type

rique propor

La pression

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soleacutenoiumlde P

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e cartouche

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Par ailleurs p

en courant de 2menter les 5 lim

47

teurs de

sation du

et agrave des

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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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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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

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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

12 Le860 mpress

entWLeliegravev

2 Choix des

mi toutes le

sions et les

egraveme On do

omegravetres digi

nifold) et da

taux Les m

ncombrement

valents

21 Limiteur

Figur

fonctionneme

mecircme princip

soleacutenoiumlde pr

pel du ressor

portionnelle

lificateur nu

s amplificateurmA agrave partir deions requis on

PE

vre

s composant

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manomegravetres

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de pression agrave

re 32 Limiteur

ent drsquoun lim

pe geacuteneacuteral qu

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rs numeacuteriques e signaux de c

n a recours agrave 2

EI Uniteacute de c

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e il nrsquoy a r

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r de pression agrave c

miteur agrave pres

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au lieu drsquoecirc

laceacutee par un

circulant dan

qui fournira

qui ont eacuteteacute seacute

consigne de 4 cartes EDM-M

controcircle du ba

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re changeacutes p

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r de pression

ecirctre comman

ne force eacutele

ns le soleacutenoiuml

ce courant v

eacutelectionneacutees peagrave 20 mA pro

M3112 et 1 cart

anc drsquoessai C

11

preacuteceacutedente

pour pouvoir

e pression agrave

utomatiquem

ction de la p

hoisis selon

pecircche le clie

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

ment la pressi

pression lue

des critegraveres

ent de chois

e

ionnelle de type

rique propor

La pression

ne vis de reacuteg

tique La pr

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soleacutenoiumlde P

des signaux eAPI Pour alim

uls les limit

agrave lrsquoautomatis

e eacutelectrique

ion dans le b

sur les man

s de compat

sir drsquoautres

e cartouche

rtionnelle re

n est comman

glage et la

ression de s

rogrammable

Par ailleurs p

en courant de 2menter les 5 lim

47

teurs de

sation du

et agrave des

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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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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 38

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 40

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

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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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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

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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

le m

un s

rapp

prop

amp

12 Le860 mpress

entWLeliegravev

2 Choix des

mi toutes le

sions et les

egraveme On do

omegravetres digi

nifold) et da

taux Les m

ncombrement

valents

21 Limiteur

Figur

fonctionneme

mecircme princip

soleacutenoiumlde pr

pel du ressor

portionnelle

lificateur nu

s amplificateurmA agrave partir deions requis on

PE

vre

s composant

es composan

manomegravetres

it avoir reco

itaux On po

ans les cham

odegraveles qui s

t Par contre

de pression agrave

re 32 Limiteur

ent drsquoun lim

pe geacuteneacuteral qu

roportionnel

rt est rempl

au courant c

umeacuterique12 q

rs numeacuteriques e signaux de c

n a recours agrave 2

EI Uniteacute de c

es

ntes eacutetudieacutee

s doivent ecirctr

ours agrave des l

ourra ainsi au

mbres des veacute

sont proposeacute

e il nrsquoy a r

agrave commande eacute

r de pression agrave c

miteur agrave pres

ursquoun limiteur

au lieu drsquoecirc

laceacutee par un

circulant dan

qui fournira

qui ont eacuteteacute seacute

consigne de 4 cartes EDM-M

controcircle du ba

Hiver201

es dans la p

re changeacutes p

limiteurs de

ugmenter au

eacuterins en fonc

eacutes ont eacuteteacute ch

rien qui emp

eacutelectrique pro

commande eacutelect

sion agrave comm

r de pression

ecirctre comman

ne force eacutele

ns le soleacutenoiuml

ce courant v

eacutelectionneacutees peagrave 20 mA pro

M3112 et 1 cart

anc drsquoessai C

11

preacuteceacutedente

pour pouvoir

e pression agrave

utomatiquem

ction de la p

hoisis selon

pecircche le clie

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

ment la pressi

pression lue

des critegraveres

ent de chois

e

ionnelle de type

rique propor

La pression

ne vis de reacuteg

tique La pr

automate pr

soleacutenoiumlde P

des signaux eAPI Pour alim

uls les limit

agrave lrsquoautomatis

e eacutelectrique

ion dans le b

sur les man

s de compat

sir drsquoautres

e cartouche

rtionnelle re

n est comman

glage et la

ression de s

rogrammable

Par ailleurs p

en courant de 2menter les 5 lim

47

teurs de

sation du

et agrave des

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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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

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VincentWLeliegravevre Hiver2011 49

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

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

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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

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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

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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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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

12 Le860 mpress

entWLeliegravev

2 Choix des

mi toutes le

sions et les

egraveme On do

omegravetres digi

nifold) et da

taux Les m

ncombrement

valents

21 Limiteur

Figur

fonctionneme

mecircme princip

soleacutenoiumlde pr

pel du ressor

portionnelle

lificateur nu

s amplificateurmA agrave partir deions requis on

PE

vre

s composant

es composan

manomegravetres

it avoir reco

itaux On po

ans les cham

odegraveles qui s

t Par contre

de pression agrave

re 32 Limiteur

ent drsquoun lim

pe geacuteneacuteral qu

roportionnel

rt est rempl

au courant c

umeacuterique12 q

rs numeacuteriques e signaux de c

n a recours agrave 2

EI Uniteacute de c

es

ntes eacutetudieacutee

s doivent ecirctr

ours agrave des l

ourra ainsi au

mbres des veacute

sont proposeacute

e il nrsquoy a r

agrave commande eacute

r de pression agrave c

miteur agrave pres

ursquoun limiteur

au lieu drsquoecirc

laceacutee par un

circulant dan

qui fournira

qui ont eacuteteacute seacute

consigne de 4 cartes EDM-M

controcircle du ba

Hiver201

es dans la p

re changeacutes p

limiteurs de

ugmenter au

eacuterins en fonc

eacutes ont eacuteteacute ch

rien qui emp

eacutelectrique pro

commande eacutelect

sion agrave comm

r de pression

ecirctre comman

ne force eacutele

ns le soleacutenoiuml

ce courant v

eacutelectionneacutees peagrave 20 mA pro

M3112 et 1 cart

anc drsquoessai C

11

preacuteceacutedente

pour pouvoir

e pression agrave

utomatiquem

ction de la p

hoisis selon

pecircche le clie

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

ment la pressi

pression lue

des critegraveres

ent de chois

e

ionnelle de type

rique propor

La pression

ne vis de reacuteg

tique La pr

automate pr

soleacutenoiumlde P

des signaux eAPI Pour alim

uls les limit

agrave lrsquoautomatis

e eacutelectrique

ion dans le b

sur les man

s de compat

sir drsquoautres

e cartouche

rtionnelle re

n est comman

glage et la

ression de s

rogrammable

Par ailleurs p

en courant de 2menter les 5 lim

47

teurs de

sation du

et agrave des

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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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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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

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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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

12 Le860 mpress

entWLeliegravev

2 Choix des

mi toutes le

sions et les

egraveme On do

omegravetres digi

nifold) et da

taux Les m

ncombrement

valents

21 Limiteur

Figur

fonctionneme

mecircme princip

soleacutenoiumlde pr

pel du ressor

portionnelle

lificateur nu

s amplificateurmA agrave partir deions requis on

PE

vre

s composant

es composan

manomegravetres

it avoir reco

itaux On po

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odegraveles qui s

t Par contre

de pression agrave

re 32 Limiteur

ent drsquoun lim

pe geacuteneacuteral qu

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umeacuterique12 q

rs numeacuteriques e signaux de c

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EI Uniteacute de c

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circulant dan

qui fournira

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consigne de 4 cartes EDM-M

controcircle du ba

Hiver201

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limiteurs de

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eacutelectrique pro

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ne force eacutele

ns le soleacutenoiuml

ce courant v

eacutelectionneacutees peagrave 20 mA pro

M3112 et 1 cart

anc drsquoessai C

11

preacuteceacutedente

pour pouvoir

e pression agrave

utomatiquem

ction de la p

hoisis selon

pecircche le clie

oportionnelle

trique proporti

mande eacutelectr

n ordinaire

ndeacutee par un

ectromagneacutet

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variable au s

euvent fournir ovenant de lrsquoAte EDM-M112

CMVSS

section seu

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47

teurs de

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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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VincentWLeliegravevre Hiver2011 49

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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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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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

le m

un s

rapp

prop

amp

12 Le860 mpress

entWLeliegravev

2 Choix des

mi toutes le

sions et les

egraveme On do

omegravetres digi

nifold) et da

taux Les m

ncombrement

valents

21 Limiteur

Figur

fonctionneme

mecircme princip

soleacutenoiumlde pr

pel du ressor

portionnelle

lificateur nu

s amplificateurmA agrave partir deions requis on

PE

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s composant

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manomegravetres

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de pression agrave

re 32 Limiteur

ent drsquoun lim

pe geacuteneacuteral qu

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umeacuterique12 q

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n a recours agrave 2

EI Uniteacute de c

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e il nrsquoy a r

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miteur agrave pres

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circulant dan

qui fournira

qui ont eacuteteacute seacute

consigne de 4 cartes EDM-M

controcircle du ba

Hiver201

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limiteurs de

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eacuterins en fonc

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r de pression

ecirctre comman

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ns le soleacutenoiuml

ce courant v

eacutelectionneacutees peagrave 20 mA pro

M3112 et 1 cart

anc drsquoessai C

11

preacuteceacutedente

pour pouvoir

e pression agrave

utomatiquem

ction de la p

hoisis selon

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oportionnelle

trique proporti

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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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rique propor

La pression

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tique La pr

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soleacutenoiumlde P

des signaux eAPI Pour alim

uls les limit

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e eacutelectrique

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s de compat

sir drsquoautres

e cartouche

rtionnelle re

n est comman

glage et la

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Par ailleurs p

en courant de 2menter les 5 lim

47

teurs de

sation du

et agrave des

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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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

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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

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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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

12 Le860 mpress

entWLeliegravev

2 Choix des

mi toutes le

sions et les

egraveme On do

omegravetres digi

nifold) et da

taux Les m

ncombrement

valents

21 Limiteur

Figur

fonctionneme

mecircme princip

soleacutenoiumlde pr

pel du ressor

portionnelle

lificateur nu

s amplificateurmA agrave partir deions requis on

PE

vre

s composant

es composan

manomegravetres

it avoir reco

itaux On po

ans les cham

odegraveles qui s

t Par contre

de pression agrave

re 32 Limiteur

ent drsquoun lim

pe geacuteneacuteral qu

roportionnel

rt est rempl

au courant c

umeacuterique12 q

rs numeacuteriques e signaux de c

n a recours agrave 2

EI Uniteacute de c

es

ntes eacutetudieacutee

s doivent ecirctr

ours agrave des l

ourra ainsi au

mbres des veacute

sont proposeacute

e il nrsquoy a r

agrave commande eacute

r de pression agrave c

miteur agrave pres

ursquoun limiteur

au lieu drsquoecirc

laceacutee par un

circulant dan

qui fournira

qui ont eacuteteacute seacute

consigne de 4 cartes EDM-M

controcircle du ba

Hiver201

es dans la p

re changeacutes p

limiteurs de

ugmenter au

eacuterins en fonc

eacutes ont eacuteteacute ch

rien qui emp

eacutelectrique pro

commande eacutelect

sion agrave comm

r de pression

ecirctre comman

ne force eacutele

ns le soleacutenoiuml

ce courant v

eacutelectionneacutees peagrave 20 mA pro

M3112 et 1 cart

anc drsquoessai C

11

preacuteceacutedente

pour pouvoir

e pression agrave

utomatiquem

ction de la p

hoisis selon

pecircche le clie

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

ment la pressi

pression lue

des critegraveres

ent de chois

e

ionnelle de type

rique propor

La pression

ne vis de reacuteg

tique La pr

automate pr

soleacutenoiumlde P

des signaux eAPI Pour alim

uls les limit

agrave lrsquoautomatis

e eacutelectrique

ion dans le b

sur les man

s de compat

sir drsquoautres

e cartouche

rtionnelle re

n est comman

glage et la

ression de s

rogrammable

Par ailleurs p

en courant de 2menter les 5 lim

47

teurs de

sation du

et agrave des

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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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

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 59

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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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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drsquoen

eacutequi

342

Le f

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rapp

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12 Le860 mpress

entWLeliegravev

2 Choix des

mi toutes le

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omegravetres digi

nifold) et da

taux Les m

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valents

21 Limiteur

Figur

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soleacutenoiumlde pr

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portionnelle

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PE

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manomegravetres

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controcircle du ba

Hiver201

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ne force eacutele

ns le soleacutenoiuml

ce courant v

eacutelectionneacutees peagrave 20 mA pro

M3112 et 1 cart

anc drsquoessai C

11

preacuteceacutedente

pour pouvoir

e pression agrave

utomatiquem

ction de la p

hoisis selon

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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

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r proceacuteder agrave

agrave commande

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pression lue

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ent de chois

e

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rique propor

La pression

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tique La pr

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soleacutenoiumlde P

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uls les limit

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sir drsquoautres

e cartouche

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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

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

1 NL RUCKER PRODUCT LTD Hydraulic pneumatic equipment Canadian Edition

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5 OMEGA Digital Pressure Gauge lt httpwwwomegacompptstDPG409htmlgt

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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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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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VincentWLeliegravevre Hiver2011 42

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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VincentWLeliegravevre Hiver2011 44

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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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

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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

12 Le860 mpress

entWLeliegravev

2 Choix des

mi toutes le

sions et les

egraveme On do

omegravetres digi

nifold) et da

taux Les m

ncombrement

valents

21 Limiteur

Figur

fonctionneme

mecircme princip

soleacutenoiumlde pr

pel du ressor

portionnelle

lificateur nu

s amplificateurmA agrave partir deions requis on

PE

vre

s composant

es composan

manomegravetres

it avoir reco

itaux On po

ans les cham

odegraveles qui s

t Par contre

de pression agrave

re 32 Limiteur

ent drsquoun lim

pe geacuteneacuteral qu

roportionnel

rt est rempl

au courant c

umeacuterique12 q

rs numeacuteriques e signaux de c

n a recours agrave 2

EI Uniteacute de c

es

ntes eacutetudieacutee

s doivent ecirctr

ours agrave des l

ourra ainsi au

mbres des veacute

sont proposeacute

e il nrsquoy a r

agrave commande eacute

r de pression agrave c

miteur agrave pres

ursquoun limiteur

au lieu drsquoecirc

laceacutee par un

circulant dan

qui fournira

qui ont eacuteteacute seacute

consigne de 4 cartes EDM-M

controcircle du ba

Hiver201

es dans la p

re changeacutes p

limiteurs de

ugmenter au

eacuterins en fonc

eacutes ont eacuteteacute ch

rien qui emp

eacutelectrique pro

commande eacutelect

sion agrave comm

r de pression

ecirctre comman

ne force eacutele

ns le soleacutenoiuml

ce courant v

eacutelectionneacutees peagrave 20 mA pro

M3112 et 1 cart

anc drsquoessai C

11

preacuteceacutedente

pour pouvoir

e pression agrave

utomatiquem

ction de la p

hoisis selon

pecircche le clie

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

ment la pressi

pression lue

des critegraveres

ent de chois

e

ionnelle de type

rique propor

La pression

ne vis de reacuteg

tique La pr

automate pr

soleacutenoiumlde P

des signaux eAPI Pour alim

uls les limit

agrave lrsquoautomatis

e eacutelectrique

ion dans le b

sur les man

s de compat

sir drsquoautres

e cartouche

rtionnelle re

n est comman

glage et la

ression de s

rogrammable

Par ailleurs p

en courant de 2menter les 5 lim

47

teurs de

sation du

et agrave des

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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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

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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

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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

BIBLIOGRAPHIE

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7 DUPLOMATIC OLEADINAMICA Proportional

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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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VincentWLeliegravevre Hiver2011 61

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

Parm

press

systegrave

man

(man

digit

drsquoen

eacutequi

342

Le f

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rapp

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12 Le860 mpress

entWLeliegravev

2 Choix des

mi toutes le

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omegravetres digi

nifold) et da

taux Les m

ncombrement

valents

21 Limiteur

Figur

fonctionneme

mecircme princip

soleacutenoiumlde pr

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portionnelle

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PE

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manomegravetres

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de pression agrave

re 32 Limiteur

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circulant dan

qui fournira

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consigne de 4 cartes EDM-M

controcircle du ba

Hiver201

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ce courant v

eacutelectionneacutees peagrave 20 mA pro

M3112 et 1 cart

anc drsquoessai C

11

preacuteceacutedente

pour pouvoir

e pression agrave

utomatiquem

ction de la p

hoisis selon

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oportionnelle

trique proporti

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ectromagneacutet

iumlde Crsquoest lrsquo

variable au s

euvent fournir ovenant de lrsquoAte EDM-M112

CMVSS

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ent de chois

e

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tique La pr

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uls les limit

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e eacutelectrique

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s de compat

sir drsquoautres

e cartouche

rtionnelle re

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glage et la

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Par ailleurs p

en courant de 2menter les 5 lim

47

teurs de

sation du

et agrave des

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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5 OMEGA Digital Pressure Gauge lt httpwwwomegacompptstDPG409htmlgt

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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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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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 44

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

le m

un s

rapp

prop

amp

12 Le860 mpress

entWLeliegravev

2 Choix des

mi toutes le

sions et les

egraveme On do

omegravetres digi

nifold) et da

taux Les m

ncombrement

valents

21 Limiteur

Figur

fonctionneme

mecircme princip

soleacutenoiumlde pr

pel du ressor

portionnelle

lificateur nu

s amplificateurmA agrave partir deions requis on

PE

vre

s composant

es composan

manomegravetres

it avoir reco

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ans les cham

odegraveles qui s

t Par contre

de pression agrave

re 32 Limiteur

ent drsquoun lim

pe geacuteneacuteral qu

roportionnel

rt est rempl

au courant c

umeacuterique12 q

rs numeacuteriques e signaux de c

n a recours agrave 2

EI Uniteacute de c

es

ntes eacutetudieacutee

s doivent ecirctr

ours agrave des l

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sont proposeacute

e il nrsquoy a r

agrave commande eacute

r de pression agrave c

miteur agrave pres

ursquoun limiteur

au lieu drsquoecirc

laceacutee par un

circulant dan

qui fournira

qui ont eacuteteacute seacute

consigne de 4 cartes EDM-M

controcircle du ba

Hiver201

es dans la p

re changeacutes p

limiteurs de

ugmenter au

eacuterins en fonc

eacutes ont eacuteteacute ch

rien qui emp

eacutelectrique pro

commande eacutelect

sion agrave comm

r de pression

ecirctre comman

ne force eacutele

ns le soleacutenoiuml

ce courant v

eacutelectionneacutees peagrave 20 mA pro

M3112 et 1 cart

anc drsquoessai C

11

preacuteceacutedente

pour pouvoir

e pression agrave

utomatiquem

ction de la p

hoisis selon

pecircche le clie

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

ment la pressi

pression lue

des critegraveres

ent de chois

e

ionnelle de type

rique propor

La pression

ne vis de reacuteg

tique La pr

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soleacutenoiumlde P

des signaux eAPI Pour alim

uls les limit

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e eacutelectrique

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s de compat

sir drsquoautres

e cartouche

rtionnelle re

n est comman

glage et la

ression de s

rogrammable

Par ailleurs p

en courant de 2menter les 5 lim

47

teurs de

sation du

et agrave des

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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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

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 59

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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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

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rapp

prop

amp

12 Le860 mpress

entWLeliegravev

2 Choix des

mi toutes le

sions et les

egraveme On do

omegravetres digi

nifold) et da

taux Les m

ncombrement

valents

21 Limiteur

Figur

fonctionneme

mecircme princip

soleacutenoiumlde pr

pel du ressor

portionnelle

lificateur nu

s amplificateurmA agrave partir deions requis on

PE

vre

s composant

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manomegravetres

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t Par contre

de pression agrave

re 32 Limiteur

ent drsquoun lim

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circulant dan

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qui ont eacuteteacute seacute

consigne de 4 cartes EDM-M

controcircle du ba

Hiver201

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ce courant v

eacutelectionneacutees peagrave 20 mA pro

M3112 et 1 cart

anc drsquoessai C

11

preacuteceacutedente

pour pouvoir

e pression agrave

utomatiquem

ction de la p

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oportionnelle

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euvent fournir ovenant de lrsquoAte EDM-M112

CMVSS

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e cartouche

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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

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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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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anc drsquoessai C

11

preacuteceacutedente

pour pouvoir

e pression agrave

utomatiquem

ction de la p

hoisis selon

pecircche le clie

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

ment la pressi

pression lue

des critegraveres

ent de chois

e

ionnelle de type

rique propor

La pression

ne vis de reacuteg

tique La pr

automate pr

soleacutenoiumlde P

des signaux eAPI Pour alim

uls les limit

agrave lrsquoautomatis

e eacutelectrique

ion dans le b

sur les man

s de compat

sir drsquoautres

e cartouche

rtionnelle re

n est comman

glage et la

ression de s

rogrammable

Par ailleurs p

en courant de 2menter les 5 lim

47

teurs de

sation du

et agrave des

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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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

12 Le860 mpress

entWLeliegravev

2 Choix des

mi toutes le

sions et les

egraveme On do

omegravetres digi

nifold) et da

taux Les m

ncombrement

valents

21 Limiteur

Figur

fonctionneme

mecircme princip

soleacutenoiumlde pr

pel du ressor

portionnelle

lificateur nu

s amplificateurmA agrave partir deions requis on

PE

vre

s composant

es composan

manomegravetres

it avoir reco

itaux On po

ans les cham

odegraveles qui s

t Par contre

de pression agrave

re 32 Limiteur

ent drsquoun lim

pe geacuteneacuteral qu

roportionnel

rt est rempl

au courant c

umeacuterique12 q

rs numeacuteriques e signaux de c

n a recours agrave 2

EI Uniteacute de c

es

ntes eacutetudieacutee

s doivent ecirctr

ours agrave des l

ourra ainsi au

mbres des veacute

sont proposeacute

e il nrsquoy a r

agrave commande eacute

r de pression agrave c

miteur agrave pres

ursquoun limiteur

au lieu drsquoecirc

laceacutee par un

circulant dan

qui fournira

qui ont eacuteteacute seacute

consigne de 4 cartes EDM-M

controcircle du ba

Hiver201

es dans la p

re changeacutes p

limiteurs de

ugmenter au

eacuterins en fonc

eacutes ont eacuteteacute ch

rien qui emp

eacutelectrique pro

commande eacutelect

sion agrave comm

r de pression

ecirctre comman

ne force eacutele

ns le soleacutenoiuml

ce courant v

eacutelectionneacutees peagrave 20 mA pro

M3112 et 1 cart

anc drsquoessai C

11

preacuteceacutedente

pour pouvoir

e pression agrave

utomatiquem

ction de la p

hoisis selon

pecircche le clie

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

ment la pressi

pression lue

des critegraveres

ent de chois

e

ionnelle de type

rique propor

La pression

ne vis de reacuteg

tique La pr

automate pr

soleacutenoiumlde P

des signaux eAPI Pour alim

uls les limit

agrave lrsquoautomatis

e eacutelectrique

ion dans le b

sur les man

s de compat

sir drsquoautres

e cartouche

rtionnelle re

n est comman

glage et la

ression de s

rogrammable

Par ailleurs p

en courant de 2menter les 5 lim

47

teurs de

sation du

et agrave des

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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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

12 Le860 mpress

entWLeliegravev

2 Choix des

mi toutes le

sions et les

egraveme On do

omegravetres digi

nifold) et da

taux Les m

ncombrement

valents

21 Limiteur

Figur

fonctionneme

mecircme princip

soleacutenoiumlde pr

pel du ressor

portionnelle

lificateur nu

s amplificateurmA agrave partir deions requis on

PE

vre

s composant

es composan

manomegravetres

it avoir reco

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ans les cham

odegraveles qui s

t Par contre

de pression agrave

re 32 Limiteur

ent drsquoun lim

pe geacuteneacuteral qu

roportionnel

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au courant c

umeacuterique12 q

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n a recours agrave 2

EI Uniteacute de c

es

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s doivent ecirctr

ours agrave des l

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e il nrsquoy a r

agrave commande eacute

r de pression agrave c

miteur agrave pres

ursquoun limiteur

au lieu drsquoecirc

laceacutee par un

circulant dan

qui fournira

qui ont eacuteteacute seacute

consigne de 4 cartes EDM-M

controcircle du ba

Hiver201

es dans la p

re changeacutes p

limiteurs de

ugmenter au

eacuterins en fonc

eacutes ont eacuteteacute ch

rien qui emp

eacutelectrique pro

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r de pression

ecirctre comman

ne force eacutele

ns le soleacutenoiuml

ce courant v

eacutelectionneacutees peagrave 20 mA pro

M3112 et 1 cart

anc drsquoessai C

11

preacuteceacutedente

pour pouvoir

e pression agrave

utomatiquem

ction de la p

hoisis selon

pecircche le clie

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

ment la pressi

pression lue

des critegraveres

ent de chois

e

ionnelle de type

rique propor

La pression

ne vis de reacuteg

tique La pr

automate pr

soleacutenoiumlde P

des signaux eAPI Pour alim

uls les limit

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e eacutelectrique

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sur les man

s de compat

sir drsquoautres

e cartouche

rtionnelle re

n est comman

glage et la

ression de s

rogrammable

Par ailleurs p

en courant de 2menter les 5 lim

47

teurs de

sation du

et agrave des

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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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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5 OMEGA Digital Pressure Gauge lt httpwwwomegacompptstDPG409htmlgt

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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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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Polytechnique 1999

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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

Vinc

342

Parm

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digit

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342

Le f

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2 Choix des

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21 Limiteur

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47

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nomegravetres

tibiliteacute et

modegraveles

epose sur

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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

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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Richmond 1980

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3 REacuteJEAN LABONVILLE Conception des circuits hydrauliques Presses internationales

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5 OMEGA Digital Pressure Gauge lt httpwwwomegacompptstDPG409htmlgt

6 AUTOMATION DIRECT Programmable Controllers

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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

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

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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

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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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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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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Polytechnique 1999

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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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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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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

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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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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

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

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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

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2 NOAH D MANRING Hydraulic control systems Wiley New Jersey 2005

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Polytechnique 1999

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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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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-E Manomegravetre digital

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ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute

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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

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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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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-C Limiteur de pression agrave commande eacutelectrique proportionnelle

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ANNEXE-E Manomegravetre digital

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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-F Deacutetermination du centre de graviteacute

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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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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

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 72

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 73

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 74

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 75

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 79

ANNEXE-E Manomegravetre digital

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 80

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 69

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 70

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 72

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 73

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 74

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 75

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 79

ANNEXE-E Manomegravetre digital

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 80

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 70

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 72

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 73

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 74

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 75

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 79

ANNEXE-E Manomegravetre digital

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 80

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 71

ANNEXE-D Amplificateur numeacuterique pour valves proportionnelles

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 72

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 73

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 74

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 75

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 79

ANNEXE-E Manomegravetre digital

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 80

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 72

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 73

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 74

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 75

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 79

ANNEXE-E Manomegravetre digital

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 80

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 73

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 74

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 75

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 79

ANNEXE-E Manomegravetre digital

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 80

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 74

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 75

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 79

ANNEXE-E Manomegravetre digital

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 80

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 75

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 79

ANNEXE-E Manomegravetre digital

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 80

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

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 79

ANNEXE-E Manomegravetre digital

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 80

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 77

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 78

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 79

ANNEXE-E Manomegravetre digital

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 80

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 78

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 79

ANNEXE-E Manomegravetre digital

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 80

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 79

ANNEXE-E Manomegravetre digital

PEI Uniteacute de controcircle du banc drsquoessai CMVSS

VincentWLeliegravevre Hiver2011 80

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 80

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

VincentWLeliegravevre Hiver2011 81

ANNEXE-F Deacutetermination du centre de graviteacute