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...Par Étude Hydraulique
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Analyse Circuit Load Sensing
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Méthodologie pour calculer la cylindrée idéale selon vos besoins en débit.

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Solutions pour synchroniser le mouvement de plusieurs vérins hydrauliques.

Perte de charge dans un flexible

Formules pour estimer les pertes de pression dans les tuyauteries.

Analyse d’un circuit à détection de charge (Load Sensing)

Contexte : Efficacité énergétique d'une pelle hydraulique.

[Image of circuit Load Sensing] Les circuits hydrauliques modernes, notamment sur les engins mobiles, cherchent à minimiser les pertes d'énergie. Le système Load SensingSystème qui adapte le débit et la pression de la pompe aux besoins exacts de la charge. (LS) permet à la pompe de ne fournir que le débit nécessaire à la pression requise par la charge la plus élevée, plus une légère marge appelée Delta PDifférence de pression, ici le 'stand-by' de régulation..

Remarque Pédagogique : Cet exercice vous permettra de comprendre comment la pression de refoulement de la pompe s'ajuste automatiquement et de calculer le rendement comparé à un circuit à cylindrée fixe.


Objectifs Pédagogiques

  • Identifier les composants d'un circuit Load Sensing.
  • Calculer la pression de refoulement de la pompe en fonction des charges.
  • Estimer la puissance consommée et l'économie d'énergie réalisée.

Données de l'étude

On considère une pelle hydraulique équipée d'une pompe à cylindrée variable avec régulation Load Sensing. Deux actionneurs (Vérin A et Moteur B) fonctionnent simultanément.

Fiche Technique / Données
Composant Caractéristique Valeur
Pompe Réglage Stand-by (\(\Delta P_{\text{LS}}\)) 20 bar
Vérin A Charge induite (\(P_{\text{A}}\)) 150 bar
Moteur B Charge induite (\(P_{\text{B}}\)) 80 bar
Circuit Débit Total demandé (\(Q_{\text{tot}}\)) 100 L/min
Schéma Simplifié du Circuit LS
Pompe LS Vérin A (150 bar) Moteur B (80 bar) Ligne de Pilotage LS (150 bar)
Questions à traiter
  1. Quelle est la pression maximale de charge détectée par le système (\(P_{\text{LS}}\)) ?
  2. Calculer la pression de refoulement de la pompe (\(P_{\text{pompe}}\)).
  3. Calculer la puissance hydraulique fournie par la pompe.
  4. Comparer avec un système à cylindrée fixe (Taré à 200 bar) et calculer l'économie de puissance.

Les bases théoriques

Le principe fondamental du Load Sensing est l'adaptation. La pompe reçoit un signal de pression venant de la charge la plus élevée via une ligne de pilotage.

Pression de Refoulement LS
La pompe régule sa pression de sortie pour qu'elle soit toujours égale à la pression de la charge la plus élevée plus la pression de stand-by (marge de régulation).

\[ P_{\text{pompe}} = P_{\text{max\_charge}} + \Delta P_{\text{LS}} \]

Où :

  • \(P_{\text{max\_charge}}\) est la pression la plus forte parmi tous les actionneurs actifs.
  • \(\Delta P_{\text{LS}}\) est le tarage du ressort de la balance de pression (généralement 15 à 25 bar).

Puissance Hydraulique
La puissance hydraulique fournie par la pompe se calcule comme suit :

\[ \mathcal{P} (\text{kW}) = \frac{P (\text{bar}) \times Q (\text{L/min})}{600} \]

Correction : Analyse d’un circuit à détection de charge (Load Sensing)

Question 1 : Pression maximale de charge (\(P_{\text{LS}}\))

Principe

Le système Load Sensing utilise un réseau de sélecteurs de circuit, techniquement appelés clapets navettes. Ces composants hydrauliques simples agissent comme des portes logiques "OU". Ils reçoivent deux pressions d'entrée et ne laissent passer que la plus élevée vers la sortie, bloquant mécaniquement la plus faible.

Mini-Cours

Fonctionnement du Clapet Navette (Shuttle Valve) :
Imaginez une bille libre dans un tube en "T". Si de l'huile sous pression arrive par la gauche à 100 bar et par la droite à 50 bar, la pression de 100 bar poussera la bille vers la droite, bouchant l'entrée à 50 bar. L'huile à 100 bar pourra alors sortir par l'orifice central. Si on a plus de deux actionneurs, ces clapets sont montés en cascade (en série) pour comparer toutes les pressions et ne garder que la "championne".

Remarque Pédagogique

Pour résoudre ce type de problème, adoptez une méthode systématique : listez d'abord les pressions requises par chaque actionneur indépendamment (charge / surface). Ensuite, imaginez le tournoi entre ces pressions. La pompe ne dialoguera qu'avec le vainqueur de ce tournoi.

Normes

Le symbole normalisé selon la norme ISO 1219-1 pour un sélecteur de circuit représente deux triangles opposés pointant vers le centre, avec une bille mobile au milieu qui se déplace selon le flux.

Formule(s)

Logique de sélection

\[ P_{\text{LS}} = \max(P_1, P_2, \dots, P_n) \]
Hypothèses

Nous nous plaçons dans le cadre d'une étude statique simplifiée :

  • Le signal LS se propage instantanément (fluide incompressible).
  • Il n'y a pas de fuite dans la ligne de pilotage qui pourrait fausser la mesure.
  • Les clapets navettes n'introduisent pas de perte de charge significative sur le signal.
Donnée(s)
ActionneurPression de Charge
Vérin A (Levage bras)\(P_{\text{A}} = 150\) bar
Moteur B (Rotation tourelle)\(P_{\text{B}} = 80\) bar
Astuces

Astuce visuelle : Sur un schéma complexe, partez de la pompe et remontez la petite ligne en pointillés. Elle vous mènera à travers les clapets navettes jusqu'aux sorties des distributeurs. C'est le chemin de l'information.

Schéma (Avant les calculs)
Logique du Clapet Navette
150 bar 80 bar Sortie : 150 bar
Calcul(s)

Identification mathématique

On applique la fonction "maximum" aux pressions des actionneurs actifs :

\[ \begin{aligned} P_{\text{LS}} &= \max(P_{\text{Vérin A}}, P_{\text{Moteur B}}) \\ &= \max(150, 80) \end{aligned} \]

Puisque 150 est mathématiquement supérieur à 80, c'est cette valeur qui est retenue :

\[ \begin{aligned} P_{\text{LS}} &= 150 \text{ bar} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)

La pression dominante transmise est 150 bar.

Réflexions

Le Vérin A impose sa pression à la pompe. Que se passe-t-il pour le Moteur B ? Il recevra une pression d'alimentation suffisante pour fonctionner (puisque la pompe fournira plus que 150 bar), mais la différence entre la pression pompe et ses 80 bar nécessaires sera dissipée en chaleur à travers son distributeur.

Points de vigilance

Erreur fréquente : Ne jamais additionner les pressions des charges montées en parallèle ! La pompe ne "voit" que la plus élevée, elle ne cumule pas les efforts.

Points à Retenir

L'essentiel :

  • LS = Load Sensing = Détection de la charge la plus élevée.
  • La ligne LS ne transmet pas de puissance, juste une information de pression.
Le saviez-vous ?

Les lignes LS sont souvent réalisées avec des flexibles capillaires de très petit diamètre (2mm à 4mm) car le débit d'huile y est quasi nul (statique).

FAQ
Pourquoi ne pas faire la moyenne des pressions ?

Parce que si la pompe fournissait la pression moyenne (ex: 115 bar), le Vérin A qui a besoin de 150 bar ne pourrait pas bouger (force insuffisante). Le système doit impérativement satisfaire le "client" le plus exigeant.

La pression de pilotage LS est de 150 bar.

A vous de jouer
Si le Moteur B forçait à 180 bar, quelle serait la pression LS ?

📝 Mémo
"The Strongest Wins" : En Load Sensing, c'est toujours la charge la plus forte qui commande la pompe.


Question 2 : Pression de refoulement (\(P_{\text{pompe}}\))

Principe

La pompe à cylindrée variable ajuste l'angle de son plateau (pour une pompe à pistons axiaux) afin de maintenir un équilibre des forces sur son tiroir de régulation. Cet équilibre est défini par : Pression de Refoulement = Pression de Charge (LS) + Force du Ressort.

Mini-Cours

Le Delta P (\(\Delta P\)) ou Marge de Stand-by :
Pourquoi ajouter une pression supplémentaire ? Si la pompe fournissait exactement 150 bar pour une charge de 150 bar, l'huile serait en équilibre statique et ne circulerait pas (ou très peu). Pour créer du mouvement (du débit), il faut une différence de pression. Ce surcroît de pression (généralement 20 bar) sert uniquement à vaincre les pertes de charge à travers l'orifice du distributeur et à assurer le débit demandé.

Remarque Pédagogique

C'est ce principe qui rend le débit indépendant de la charge : la différence de pression aux bornes du distributeur est maintenue constante (égale au \(\Delta P\) du ressort) par la pompe elle-même. Si la charge augmente, la pompe augmente sa pression d'autant pour maintenir cet écart constant.

Normes

Les constructeurs définissent ce Delta P en usine. Chez Sauer-Danfoss ou Rexroth, pour des applications mobiles (TP, Agricole), cette valeur est typiquement réglée entre 14 et 25 bar. C'est un compromis : trop faible, le système est lent et "mou" ; trop fort, on gaspille de l'énergie inutilement.

Formule(s)

Équilibre du tiroir LS

\[ P_{\text{pompe}} = P_{\text{LS}} + \Delta P_{\text{LS}} \]
Hypothèses

Ce calcul est valide sous réserve que :

  • La pompe n'est pas en "saturation de débit" (c'est-à-dire qu'elle n'est pas déjà à cylindrée maximale).
  • La pression résultante est inférieure au tarage du limiteur de pression de sécurité haute pression (HP).
Donnée(s)
ParamètreValeur
\(P_{\text{LS}}\) (Résultat Q1)150 bar
\(\Delta P_{\text{LS}}\) (Donnée)20 bar
Astuces

Le test du neutre : Si vous mettez tous les distributeurs au neutre, la ligne LS se vide au réservoir (\(P_{\text{LS}} = 0\)). La pompe va alors réguler à \(0 + 20 = 20\) bar. C'est ce qu'on appelle la pression de "Stand-by basse pression". C'est un excellent moyen de vérifier le réglage de votre ressort sur machine !

Schéma (Avant les calculs)
Équilibre du Régulateur
P. Pompe P. LS (150) Ressort (20) VS
Calcul(s)

Application numérique

On additionne simplement la charge maximale et la marge de régulation :

\[ \begin{aligned} P_{\text{pompe}} &= P_{\text{LS}} + \Delta P_{\text{LS}} \\ &= 150 + 20 \\ &= 170 \text{ bar} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)

La pompe génère exactement 170 bar en sortie.

Réflexions

Le système est optimisé : la pompe fournit juste ce qu'il faut pour bouger la charge la plus lourde (150 bar) plus le petit supplément nécessaire au mouvement (20 bar). Elle ne monte pas à 200 ou 300 bar inutilement.

Points de vigilance

Attention à ne pas confondre "Pression de tarage max" (ex: 350 bar, la sécurité) et "Pression de régulation instantanée" (ici 170 bar). En LS, la pression varie tout le temps, elle n'est pas fixe.

Points à Retenir

Synthèse :

  • Pression Pompe = Charge Max + Marge Ressort.
  • La pompe "suit" la charge comme une ombre, toujours 20 bar au-dessus.
Le saviez-vous ?

Si la pompe n'arrive pas à fournir le débit demandé (saturation), la pression LS va se rapprocher dangereusement de la pression pompe, le Delta P va chuter (le ressort ne suffit plus), et tous les actionneurs vont ralentir simultanément. C'est pour cela qu'on installe des balances de pression "post-compensation" (Flow Sharing) sur les pelles modernes pour garder les mouvements synchronisés même en saturation.

FAQ
Peut-on modifier la réactivité de la pelle ?

Oui, en serrant la vis du ressort Delta P. Passer de 20 à 25 bar augmente la différence de pression aux distributeurs, ce qui pousse l'huile plus violemment. La machine devient plus nerveuse, mais consomme un peu plus.

La pression de la pompe est de 170 bar.

A vous de jouer
Si on règle le ressort (Delta P) à 25 bar pour rendre la pelle plus nerveuse, quelle sera la pression pompe ?

📝 Mémo
"Load Plus Margin" (Charge plus Marge) : C'est la règle d'or du fonctionnement LS.


Question 3 : Puissance Hydraulique Consommée

Principe

La puissance hydraulique (\(\mathcal{P}\)) est une mesure de l'énergie transférée par le fluide par unité de temps. Physiquement, c'est le produit d'une force (représentée par la pression \(P\)) et d'une vitesse (représentée par le débit \(Q\)). C'est cette puissance que le moteur diesel ou électrique doit fournir à l'arbre de la pompe pour maintenir le système en mouvement.

Mini-Cours

Démonstration de la formule simplifiée :
La puissance en physique s'exprime en Watts (\(W\)) : \(P [W] = P [\text{Pa}] \times Q [\text{m}^3/\text{s}]\).
Or, nos manomètres sont en bar et nos débitmètres en L/min. Faisons la conversion :
- \(1 \text{ bar} = 100\,000 \text{ Pa} = 10^5 \text{ Pa}\)
- \(1 \text{ L/min} = \frac{1}{1000} \text{ m}^3 / 60 \text{ s} = \frac{1}{60\,000} \text{ m}^3/\text{s}\)
En multipliant : \(1 \text{ bar} \times 1 \text{ L/min} = 10^5 \times \frac{1}{60\,000} = \frac{10}{6} \text{ Watts}\).
Pour obtenir des kiloWatts (kW), on divise par 1000 : \(\frac{10}{6} \div 1000 = \frac{1}{600}\).
D'où la formule magique : \(\mathcal{P}_{\text{kW}} = \frac{P_{\text{bar}} \times Q_{\text{L/min}}}{600}\).

Remarque Pédagogique

Notez bien que nous calculons ici la puissance hydraulique (celle qui sort de la pompe). La puissance mécanique nécessaire pour entraîner la pompe sera légèrement supérieure car il faut compenser les frottements internes et les fuites (rendement global de la pompe, souvent autour de 0.9).

Normes

Le kiloWatt (kW) est l'unité standard en ingénierie européenne. Aux États-Unis, on utilise le Horsepower (HP). La conversion est : \(1 \text{ kW} \approx 1.341 \text{ HP}\).

Formule(s)

Formule de puissance usuelle

\[ \mathcal{P}_{\text{LS}} = \frac{P_{\text{pompe}} \times Q_{\text{tot}}}{600} \]
Hypothèses

Pour ce calcul, nous considérons :

  • Que le débit de 100 L/min est stable et continu.
  • Que la pression de 170 bar est maintenue constante durant cette phase de travail.
  • Que l'on cherche la puissance absorbée instantanée.
Donnée(s)
ParamètreValeur
\(P_{\text{pompe}}\) (Résultat Q2)170 bar
\(Q_{\text{tot}}\) (Donnée)100 L/min
Astuces

Calcul mental : Diviser par 600, c'est diviser par 6 puis décaler la virgule de deux rangs vers la gauche.
Exemple : \(170 \times 100 = 17\,000\).
Divisé par 100 \(\rightarrow 170\).
Divisé par 6 \(\rightarrow\) un peu moins de 30 (car \(30 \times 6 = 180\)). On s'attend donc à un résultat proche de 28.

Schéma (Avant les calculs)
Diagramme de Flux d'Énergie
Moteur Pompe Puissance (P x Q) / 600
Calcul(s)

Application numérique détaillée

On applique la formule en substituant les valeurs et en simplifiant :

\[ \begin{aligned} \mathcal{P}_{\text{LS}} &= \frac{170 \times 100}{600} \\ &= \frac{17\,000}{600} \\ &= \frac{170}{6} \\ &\approx 28.33 \text{ kW} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)

Puissance absorbée par le système : 28.33 kW

Réflexions

Cette puissance est directement proportionnelle à la charge. Si le conducteur rencontre un sol plus dur, la pression va monter, disons à 200 bar, et la puissance montera instantanément. C'est la beauté du LS : on ne consomme de la puissance que si le travail le demande.

Points de vigilance

Ne confondez pas le couple (force rotative, lié à la pression) et la puissance (énergie totale, liée à la pression ET à la vitesse). Une pompe peut générer 300 bar à débit nul (blocage) sans consommer beaucoup de puissance (juste les fuites).

Points à Retenir

La puissance (\(\mathcal{P}\)) varie à chaque instant selon :

  • L'effort demandé (Pression).
  • La vitesse demandée (Débit).
Le saviez-vous ?

Sur une pelle de chantier, le moteur diesel régule son injection de carburant en temps réel pour maintenir son régime face à ces variations brutales de demande de puissance hydraulique.

FAQ
Est-ce que cette puissance est dissipée en chaleur ?

Non ! La majeure partie de cette puissance (28.33 kW) est convertie en travail mécanique utile (lever la terre, tourner la tourelle). Seule une petite partie (frottements, pertes de charge) devient de la chaleur.

La puissance absorbée est de 28.33 kW.

A vous de jouer
Si le conducteur réduit sa vitesse et que le débit n'est plus que de 50 L/min, quelle sera la puissance ?

📝 Mémo
La formule "/600" est votre meilleure amie sur le terrain. Apprenez-la par cœur !


Question 4 : Comparaison et Économie d'Énergie

Principe

Pour comprendre l'intérêt du Load Sensing, il est crucial de le comparer à l'ancienne technologie : la Cylindrée Fixe (ou Circuit à Centre Ouvert/Fermé sans régulation de charge). Dans un système à cylindrée fixe, la pompe débite un volume constant par tour. Si l'on veut réguler la vitesse ou la force, on est obligé de laminer l'huile excédentaire à travers un limiteur de pression ou un étrangleur. Cela revient à conduire une voiture avec l'accélérateur à fond en régulant la vitesse avec le frein : un gaspillage énorme.

Mini-Cours

Le Gaspillage par Laminage (\(P_{\text{perdue}}\)) :
Dans un système classique non-LS, pour garantir que le vérin A puisse lever 150 bar à tout moment, le limiteur de pression général du circuit doit être taré au-dessus de cette valeur (disons 200 bar pour avoir une marge de sécurité). La pompe doit donc pousser TOUT le débit à 200 bar, même si la charge n'en demande que 150. L'écart de 50 bar est détruit en chaleur.

Remarque Pédagogique

L'économie d'énergie réalisée par le LS n'est pas "virtuelle". Elle se traduit directement par des litres de carburant non brûlés. Moins de puissance demandée à la pompe = moins de couple résistant sur le moteur diesel = moins d'injection de gazole.

Normes

Les normes environnementales actuelles (Stage V / Tier 4 Final) imposent des réductions drastiques de CO2. Le passage à l'hydraulique LS ou "Flow Sharing" est devenu quasi obligatoire pour les constructeurs d'engins mobiles afin de respecter ces quotas.

Formule(s)

Bilan comparatif

\[ \text{Gain} = \mathcal{P}_{\text{fixe}} - \mathcal{P}_{\text{LS}} \]
Hypothèses

Pour comparer ce qui est comparable, nous imaginons un système fixe capable de faire le même travail :

  • Débit identique : \(Q = 100\) L/min.
  • Tarage de sécurité (nécessaire pour couvrir les pics de charge) : \(P_{\text{max}} = 200\) bar.
  • On suppose que le système fixe fonctionne à sa pression de tarage (cas fréquent lors de l'utilisation de limiteurs de débit ou en butée).
Donnée(s)
SystèmePression de générationPuissance absorbée
Load Sensing (Actuel)170 bar28.33 kW
Cylindrée Fixe (Ancien)200 barÀ calculer
Astuces

Visualisez l'économie comme une "hauteur" de pression. Le système fixe monte toujours "l'escalier" jusqu'à la marche 200. Le système LS s'arrête à la marche 170. Les 30 bar de différence, multipliés par le débit, donnent l'économie.

Schéma (Avant les calculs)
Comparaison des Pertes Énergétiques
Fixe LS GASPILLAGE
Calcul(s)

Comparaison détaillée étape par étape

1. Calcul de la puissance du système à cylindrée Fixe :

Dans ce scénario, la pompe "force" le débit à travers le limiteur de pression taré à 200 bar :

\[ \begin{aligned} \mathcal{P}_{\text{fixe}} &= \frac{P_{\text{max}} \times Q_{\text{tot}}}{600} \\ &= \frac{200 \times 100}{600} \\ &= \frac{20\,000}{600} \\ &\approx 33.33 \text{ kW} \end{aligned} \]

2. Calcul du Gain (Différence) :

L'économie correspond à la puissance que nous n'avons PAS consommée grâce au LS :

\[ \begin{aligned} \text{Gain} &= \mathcal{P}_{\text{fixe}} - \mathcal{P}_{\text{LS}} \\ &= 33.33 - 28.33 \\ &= 5 \text{ kW} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)

Gain net d'énergie : 5 kW

Réflexions

5 kW, cela peut sembler abstrait. Mais 5 kW de chaleur, c'est l'équivalent de 2 à 3 radiateurs électriques à fond ! Dans un système fixe, il faudrait installer un énorme refroidisseur d'huile pour évacuer cette chaleur, sinon l'huile cuirait. Avec le LS, cette chaleur n'est tout simplement pas produite.

Points de vigilance

Contexte d'utilisation : L'économie calculée ici est valable pour ce point de fonctionnement précis. Si la machine travaille toujours à pleine charge (proche de 200 bar), l'avantage du LS diminue. Le LS excelle dans les cycles variables et les charges partielles.

Points à Retenir

Le Load Sensing offre un triple avantage :

  • Énergétique : Moins de carburant consommé.
  • Thermique : Moins d'échauffement de l'huile (durée de vie accrue).
  • Contrôle : Meilleure maniabilité des mouvements simultanés.
Le saviez-vous ?

Le système LS a été popularisé dans les années 70-80. Avant cela, les pelles hydrauliques étaient beaucoup plus gourmandes et nécessitaient des réservoirs d'huile immenses pour aider au refroidissement.

FAQ
Le système LS est-il plus cher à l'achat ?

Oui, la pompe variable et les distributeurs LS sont plus onéreux que des pompes à engrenages fixes. Cependant, le retour sur investissement (ROI) se fait rapidement grâce aux économies de carburant sur la durée de vie de la machine.

Économie de puissance : 5 kW (soit ~15% de gain).

A vous de jouer
Si le système fixe était taré à 250 bar (pour plus de force de arrachement), quelle serait l'économie réalisée ? (Le LS consomme toujours 28.33 kW)

📝 Mémo
"Pay only for what you use" : Le LS ne vous facture que l'énergie nécessaire au travail, pas un centime de plus.


Schéma Bilan des Pressions

Pression Pompe : 170 bar Charge Utile (Vérin A) : 150 bar Delta P (20b) 0 bar 170 bar

📝 Grand Mémo : Le Load Sensing

Synthèse des avantages et du fonctionnement :

  • 🧠
    Adaptation Intelligente
    La pompe "sent" la charge la plus élevée et s'y adapte instantanément.
  • ⚖️
    Formule Clé
    \(P_{\text{pompe}} = P_{\text{Charge\_Max}} + \Delta P_{\text{StandBy}}\) (Charge + Marge).
  • 💰
    Économie
    Réduction drastique des pertes de charge et de l'échauffement de l'huile par rapport aux systèmes à cylindrée fixe.

🎛️ Simulateur LS Interactif

Modifiez la charge des actionneurs pour voir comment la pompe réagit.

Paramètres de Charge
Pression LS (Max) : - bar
Pression Pompe (LS + 20) : - bar

📝 Quiz final : Testez vos connaissances

1. Que signifie le terme "Delta P" dans un système Load Sensing ?

2. Si tous les distributeurs sont au neutre (charge 0 bar), quelle est la pression pompe ?

📚 Glossaire

Load Sensing
Technologie de régulation détectant la charge pour adapter le débit et la pression hydraulique.
Stand-by
Pression d'attente minimale de la pompe lorsqu'aucune fonction n'est activée ou marge de régulation.
Cylindrée Variable
Capacité d'une pompe à changer le volume d'huile débité par tour, permettant de varier le débit à vitesse constante.
Clapet Navette
Composant logique "OU" qui sélectionne la pression la plus élevée entre deux entrées.
Analyse Circuit Load Sensing
Info Hydraulique

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