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Dossier Technique : Transmission Hydrostatique
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Titre Outil

À DÉCOUVRIR SUR LE SITE
Conception Circuit Suspension

Méthodologie de conception pour véhicules.

Bilan Puissance Pelle Méca

Analyse énergétique d'un circuit engin TP.

Conception Bloc Foré

Design de blocs hydrauliques intégrés.

Suspension Hydropneumatique

Calculs de comportement et dimensionnement.

Calcul Accumulateur

Taux de compression et volume utile.

Dimensionnement Tuyauteries

Abaques de pertes de charge et diamètres.

DOSSIER N° 2024-HYD-042

Projet Modernisation Treuil

Analyse d’une Transmission Hydrostatique

1. Contexte de la Mission

Réf. Affaire : TR-500Treuil de levage capacité 500kg. • Modernisation Navire
PHASE : APDAvant-Projet Définitif : Validation des solutions techniques et dimensionnement précis.
📝 Situation du Projet

Le navire de services "L'Audacieux", opéré par la société Navale Services SA, est équipé d'un treuil de pont arrière utilisé pour la mise à l'eau de sondes océanographiques et la manutention légère.

Le système actuel, basé sur une transmission électromécanique ancienne (moteur asynchrone + réducteur à vis sans fin), présente des signes de faiblesse :

  • Corrosion sévère du moteur électrique exposé aux embruns.
  • Manque de précision lors des phases d'approche (à-coups au démarrage).
  • Risque de surchauffe lors des maintiens de charge prolongés.
Objectif de la Modernisation :
Remplacer cette chaîne cinématique par une transmission hydrostatique. L'hydraulique est privilégiée en milieu marin pour sa densité de puissance, sa robustesse face à l'environnement salin et sa capacité naturelle à gérer les surcharges via des limiteurs de pression.
🎯 Votre Rôle

En tant que projeteur au sein du bureau d'études HYDRO-TECH, vous êtes chargé de la note de calculs de dimensionnement pour la phase APD (Avant-Projet Définitif).

Votre mission consiste à valider la chaîne de puissance complète :
Charge ➔ Moteur Hydraulique ➔ Pompe ➔ Moteur Électrique.

🌱 Note Environnementale : Le client exige l'utilisation d'une huile biodégradable type HEES (ester synthétique) pour respecter les normes portuaires "Clean Harbour". Les composants sélectionnés doivent être compatibles avec ce fluide.
⚙️
Architecture Retenue :

Circuit Ouvert simple :

  • Pompe à cylindrée fixe (plus économique).
  • Limiteur de pression pour la sécurité.
  • Moteur hydraulique lent (LSHT) type Orbital pour éviter un réducteur mécanique supplémentaire.

Fiche Signalétique Machine
  • Navire "L'Audacieux" (Service Portuaire)
  • 💧
    Technologie Circuit Ouvert - 200 bar max
  • Alimentation 400V Triphasé - 50Hz
  • Fluide Huile Bio HEES - ISO VG 46
🗺️ PLAN D'INSTALLATION SUR PONT (VUE LATÉRALE)
ÉCHELLE : 1:50
HYD TREUIL 500 kg Vers Centrale (Salle Machine) Portique Arrière Câble de Levage Distance L = 8m
Moteur Hyd.
Tambour
Ligne Pression
Note : Le portique permet le déport de la charge à l'extérieur du navire (arrière).
ZONE : PONT ARRIÈRE
📌
Note de l'Ingénieur Principal :

"Attention aux rendements ! N'oubliez pas que le moteur hydraulique a des fuites internes (rendement volumétrique) et des frottements (rendement mécanique). Dimensionnez la pompe pour compenser ces pertes."


🎥 Principe Fonctionnel : Transmission de PuissanceConversion Energie Mécanique (Pompe) -> Energie Hydraulique (Fluide) -> Energie Mécanique (Moteur).

Ce schéma illustre la transformation de l'énergie et la circulation du fluide de puissance.

RÉSERVOIR MOTEUR ELEC P Conversion 1 Méca → Hydrau M TREUIL M Conversion 2 Hydrau → Méca HAUTE PRESSION BASSE PRESSION

2. Données Techniques de Référence

Extrait du Cahier des Charges Fonctionnel (CdCF)

Pour garantir la sécurité et la conformité, l'étude s'appuie strictement sur le référentiel normatif international (ISO/CETOP) et les spécifications techniques validées par le client lors de la phase APS (Avant-Projet Sommaire).

📚 Référentiel Normatif

Les normes suivantes sont contractuelles pour ce projet :

ISO 1219-1 Symboles graphiques pour l'oléohydraulique. Tous les schémas doivent être réalisés selon cette norme.
ISO 4406 Code de propreté des fluides. Objectif : 18/16/13 pour assurer la longévité des composants.
CETOP Recommandations pour le dimensionnement des centrales hydrauliques (réservoirs, filtration).
EXTRAIT C.C.T.P.

[Article 4] - PERFORMANCES
Le système doit lever une charge nominale de 500 kg à une vitesse linéaire constante de 0.5 m/s (± 10%).
Une charge de test de 750 kg (150%) doit pouvoir être tenue en statique.

[Article 5] - COMPOSANTS
La pression maximale de service en continu ne doit pas excéder 200 bar.
Le moteur hydraulique doit être de technologie Gerotor (Orbitrol) pour privilégier le couple à basse vitesse.

[Article 6] - FLUIDE
Utilisation exclusive d'huile hydraulique type ISO VG 46.
Température de fonctionnement : -10°C à +60°C.

⚙️ Données Fournisseur (Catalogue)
Moteur Hydraulique (Série OMP)
Cylindrée \(\text{cyl}\)800 cm³/tr
Rendement Volumétrique \(\eta_{\text{vol}}\)0.95
Rendement Mécanique \(\eta_{\text{meca}}\)0.90
Groupe Moto-Pompe
Vitesse rotation Moteur Elec. \(N_{\text{p}}\)1500 tr/min
Technologie PompeEngrenages Externes
Info : Les rendements donnés sont des valeurs moyennes à pleine charge.
📐 Données Mécaniques
  • Masse à lever (M)500 kg
  • Rayon Tambour (R)0.15 m
  • Accélération (g)9.81 m/s²
⚖️ Hypothèses

Pour le calcul préliminaire :

Pertes de charge Négligées
Régime Permanent
SCHÉMA HYDRAULIQUEReprésentation normalisée des composants et liaisons du circuit. (ISO 1219)
RÉSERVOIR M POMPE FILTRE L.P. MOTEUR HYD. Drain Manomètre
🔍 Légende :
Pompe Fixe
Ligne Pression
MOTEUR HYD.Transforme l'énergie hydraulique en énergie mécanique. (VUE COMPOSANT)
A B Objet Réel (Vue Face) Symbole ISO 1219
⚠️ Sens de rotation :

Unidirectionnel (1 triangle plein). L'huile entre, pousse le mécanisme et ressort.

📐 SCHÉMA DES EFFORTS & MODÉLISATION
1. Système Physique 2. Modèle Mécanique (Isolement) M V Isolement 1 : La Charge P = M.g T Eq: \(T = P\) Isolement 2 : Le Tambour R T' C (Couple) Eq: \(C = T' \cdot R\)
🔧 Formule du Couple Résistant : En combinant les isolements 1 et 2, on obtient la relation fondamentale statique :
\( C_{\text{r}} = (M \cdot g) \cdot R \)
🚀 Objectif Dimensionnement : Le moteur hydraulique doit générer un couple moteur \(C_m\) tel que :
\( C_m \geq C_{\text{r}} \)
🧠 Organigramme de Réflexion (Logique Hydraulicien)
PARAMÈTRES Vitesse & Force MOTEUR Couple & Vitesse HYDRAULIQUE Pression & Débit POMPE Sizing & Puiss. VÉRIFICATIONS Rendements

E. Protocole de Résolution

Méthodologie standardisée de bureau d'études.

👨‍🏫 Note Pédagogique : Pour dimensionner ce treuil, nous allons remonter la chaîne de puissance : de la charge à lever jusqu'à la pompe hydraulique.
(Cliquez sur les numéros pour accéder directement à la correction correspondante).

1
📊 Paramètres Mécaniques
Phase Méca
Définition des besoins en sortie du treuil.
  • Calculer le Couple Résistant \(C_{\text{r}}\) nécessaire pour lever la charge.
  • Calculer la Vitesse de Rotation \(N_{\text{mot}}\) pour atteindre la vitesse linéaire.
2
📈 Pression de Service
Phase Pression
Calcul de la pression nécessaire en tenant compte des rendements.
  • Utiliser la cylindrée du moteur et le rendement mécanique.
  • Déterminer le \(\Delta P\) nécessaire.
  • Vérifier la conformité avec la pression max (200 bar).
3
🏗️ Débit Nécessaire
Phase Débit
Calcul du débit à fournir par la pompe.
  • Calculer le débit théorique absorbé.
  • Ajouter les fuites (rendement volumétrique).
  • Déterminer le débit pompe \(Q_{\text{p}}\).
4
Puissance Installée
Phase Bilan
Dimensionnement du moteur électrique d'entraînement.
  • Calculer la puissance hydraulique \(P_{\text{hyd}}\).
  • Calculer la puissance à l'arbre pompe.
  • Choisir le moteur électrique standard.

APD

NOTE DE CALCULS

Analyse d’une Transmission Hydrostatique
1

Calcul du Couple et de la Vitesse (Charge Mécanique)

🎯 Objectif Détaillé

L'objectif de cette première étape est de quantifier précisément le besoin mécanique en sortie du système. Avant de dimensionner les composants hydrauliques (pompe, moteur), nous devons impérativement savoir "ce que demande la charge".

Concrètement, nous allons traduire la masse à lever (kg) et la vitesse de montée (m/s) en deux grandeurs rotationnelles directement exploitables pour le choix du moteur hydraulique :

  • Le Couple Résistant (\(C_{\text{r}}\)) : C'est l'effort de torsion que le poids de la charge exerce sur l'axe du tambour. Le moteur devra fournir un couple au moins égal pour maintenir la charge, et supérieur pour la lever.
  • La Fréquence de Rotation (\(N\)) : C'est la vitesse à laquelle le tambour doit tourner pour enrouler le câble assez vite pour respecter la vitesse de montée imposée.

📚 Référentiel & Physique
Mécanique du Solide Statique Cinématique
📘 Rappel Théorique : Du Linéaire au Rotatif

Dans un système de levage par treuil, le tambour agit comme un convertisseur de mouvement.
1. Pour l'effort (Statique) : Le rayon du tambour (\(R\)) agit comme un bras de levier. La force de gravité (\(F\)) appliquée au bout de ce rayon crée un moment de force appelé Couple (\(C = F \times R\)). Plus le tambour est grand, plus le couple nécessaire pour lever la même charge est important.
2. Pour la vitesse (Cinématique) : La relation est inverse. Pour une même vitesse de rotation, un grand tambour enroule plus de câble par tour (\(Périmètre = 2\pi R\)), donc la charge monte plus vite. La relation fondamentale est \(V = \omega \times R\), où \(\omega\) est la vitesse angulaire en radians par seconde.

📐 Formules Fondamentales
1. Relation Force - Couple (Statique)

Le couple est le produit de la force tangentielle par le rayon :

\[ C_{\text{r}} (\text{N.m}) = F (\text{N}) \times R (\text{m}) = [M (\text{kg}) \times g (\text{m/s}^2)] \times R (\text{m}) \]
2. Relation Vitesse Linéaire - Angulaire (Cinématique)

La vitesse linéaire est le produit de la vitesse angulaire par le rayon :

\[ V (\text{m/s}) = \omega (\text{rad/s}) \times R (\text{m}) \] \[ \Rightarrow \omega = \frac{V}{R} \]

Conversion en tours par minute (unité industrielle) :

\[ N (\text{tr/min}) = \omega (\text{rad/s}) \times \frac{60}{2\pi} \]

Étape 1 : Recensement des Données d'Entrée

Nous extrayons les valeurs directement du Cahier des Charges Fonctionnel (CdCF) présenté en section 2. Ces valeurs sont les contraintes imposées par le client.

DésignationSymboleValeurUnitéSource
Masse à lever (Charge Nominale)\(M\)500kgCdCF Art. 4
Rayon d'enroulement du Tambour\(R\)0.15mPlan Méca.
Vitesse linéaire de levage\(V\)0.5m/sCdCF Art. 4
Accélération de la pesanteur\(g\)9.81m/s²Constante

💡 Astuce Métier : En hydraulique de puissance, on utilise souvent l'unité daN.m (décaNewton-mètre) pour le couple car elle est proche du "kg.m" (1 daN \(\approx\) 1 kgf). Cependant, pour les calculs de puissance (Watts), il est impératif de revenir aux unités SI : le Newton-mètre (N.m). Rappel : 1 daN.m = 10 N.m.

Situation Initiale (Avant Calcul)

Avant de lancer les calculs, visualisons les inconnues sur le système physique isolé.

SYSTÈME À L'ÉTUDE
M N = ? C = ? 500 kg V = 0.5 m/s
MODÈLE MÉCANIQUE (R = Bras de Levier)
O R = 0.15m F = Poids (Force Tangentielle) Couple ? C = F × R
Étape 2 : Application Numérique Détaillée

A. Calcul du Couple Résistant \(C_{\text{r}}\)

Phase 1 : Déterminer la Force (Poids).
La masse de 500 kg est soumise à l'accélération de la pesanteur. Elle exerce une force verticale (Poids) sur le câble.

\[ \begin{aligned} F_{\text{câble}} &= M \times g \\ &= 500 \text{ kg} \times 9.81 \text{ m/s}^2 \\ &= 4905 \text{ N} \quad (\text{Newton}) \end{aligned} \]

Phase 2 : Calculer le Moment (Couple).
Cette force s'exerce à une distance \(R\) de l'axe de rotation. C'est le principe du bras de levier. Le couple est le produit de la force par cette distance.

\[ \begin{aligned} C_{\text{r}} &= F_{\text{câble}} \times R \\ &= 4905 \text{ N} \times 0.15 \text{ m} \\ &= 735.75 \text{ Nm} \end{aligned} \]

👉 Ce résultat signifie que le moteur doit être capable de "tordre" l'axe avec une force équivalente à 73.5 kg au bout d'un levier de 1 mètre.

B. Calcul de la Vitesse de Rotation \(N\)

Phase 1 : Vitesse Angulaire (\(\omega\)).
La vitesse linéaire du câble (0.5 m/s) dépend de la vitesse de rotation et du rayon. Une vitesse linéaire élevée sur un petit rayon demande une rotation rapide.

\[ \begin{aligned} \omega &= \frac{V}{R} \\ &= \frac{0.5 \text{ m/s}}{0.15 \text{ m}} \\ &= 3.333 \text{ rad/s} \quad (\text{Radians par seconde}) \end{aligned} \]

Phase 2 : Conversion en tours/minute (tr/min).
L'unité "rad/s" est pratique pour les calculs physiques, mais les catalogues constructeurs parlent en "tr/min" (rpm).
Sachant que 1 tour = \(2\pi\) radians et qu'il y a 60 secondes dans une minute :

\[ \begin{aligned} N &= \omega \times \frac{60}{2\pi} \quad (\text{ou } \omega \times 9.55) \\ &= 3.333 \times \frac{60}{6.283} \\ &\approx 31.8 \text{ tr/min} \end{aligned} \]

👉 C'est une vitesse lente. Cela confirme la nécessité d'un moteur hydraulique lent (type LSHT) ou d'un réducteur si on utilisait un moteur rapide.

Validation des Résultats
CINÉMATIQUE : SYSTÈME VALIDÉ
M N = 32 tr/min C = 736 Nm
TABLEAU DE BORD (PERFORMANCES)
COUPLE (Nm) 736 VITESSE (tr/min) 31.8
Résultat Validé C = 736 Nm N = 32 tr/min
🤔 Analyse de Cohérence Technique

Les résultats obtenus définissent un point de fonctionnement très caractéristique : Fort Couple / Basse Vitesse.
Cela oriente immédiatement le choix technologique vers un moteur hydraulique de type "Gerotor" (Orbital) ou "Pistons Radiaux", qui excellent dans ce domaine sans nécessiter de réducteur complexe, contrairement aux moteurs électriques qui tourneraient à 1500 tr/min et nécessiteraient une réduction énorme (ratio ~1/50).

⚠️ Points de Vigilance - Démarrage
  • Inertie : Le calcul ci-dessus est statique (vitesse constante). Au démarrage, il faudra accélérer la masse de 500kg. Cela demandera un couple supplémentaire \(C = J \cdot \alpha\) (Inertie x Accélération).
  • Frottements secs : Au décollage, le couple à fournir est souvent 10 à 20% supérieur au couple calculé à cause des frottements statiques dans le treuil. Notre marge de sécurité hydraulique devra couvrir ce pic.
Pourquoi calculer le couple avant la pression ?

Car c'est la charge (le monde réel) qui impose l'effort (le Couple). Le circuit hydraulique ne fait que "réagir" en montant en Pression pour vaincre cet effort. On part toujours de la demande (Mécanique) pour dimensionner l'offre (Hydraulique).

2

Calcul de la Pression de Service \(\Delta P\)

🎯 Objectif Détaillé

L'objectif est maintenant de dimensionner l'effort hydraulique. Nous connaissons le couple mécanique nécessaire pour lever la charge (\(C_{\text{r}} = 736 \text{ Nm}\), calculé en Q1). Nous devons déterminer quelle différence de pression (\(\Delta P\)) doit régner aux bornes du moteur hydraulique pour générer ce couple.

Ce calcul est critique car il définit la Pression de Service du système. Cette valeur doit rester inférieure à la pression maximale admissible des composants (ici 200 bar) pour garantir la sécurité et la durabilité. Nous devrons également "payer" les pertes par frottement interne du moteur (rendement mécanique) en fournissant une pression supérieure à la théorie.

📚 Référentiel & Physique
Mécanique des Fluides Conversion d'Énergie Rendements
📘 Rappel Théorique : La Pression est une Conséquence

En hydraulique, il est fondamental de comprendre que la pompe ne crée pas la pression (elle crée un débit). C'est la charge (le couple résistant sur l'arbre du moteur) qui s'oppose à l'écoulement de l'huile et fait monter la pression.

La pression agit sur les surfaces internes du moteur (pistons, engrenages). La somme de ces actions crée le couple. La caractéristique géométrique qui lie Pression et Couple est la Cylindrée (\(\text{cyl}\)).
Analogie électrique : La Pression est analogue à la Tension (Volt), le Débit au Courant (Ampère).

📐 Formules Fondamentales
1. Couple Théorique

C'est le couple généré par un moteur parfait sans frottement :

\[ C_{\text{th}} (\text{Nm}) = \frac{\text{cyl} (\text{cm}^3/\text{tr}) \times \Delta P (\text{bar})}{20\pi} \]
2. Couple Réel (Utile)

Le couple disponible en sortie est plus faible à cause des pertes mécaniques (\(\eta_{\text{meca}}\)) :

\[ C_{\text{utile}} = C_{\text{th}} \times \eta_{\text{meca}} \]
3. Formule Inversée (Celle que l'on cherche)

On cherche la pression nécessaire pour obtenir un couple utile donné :

\[ \Delta P = \frac{C_{\text{utile}} \times 20\pi}{\text{cyl} \times \eta_{\text{meca}}} \]

Étape 1 : Recensement des Données d'Entrée

Nous utilisons le couple calculé précédemment et les données catalogue du moteur hydraulique sélectionné (Série OMP).

DésignationSymboleValeurUnitéOrigine
Couple Résistant (Besoin)\(C_{\text{utile}}\)736NmRésultat Q1
Cylindrée du Moteur\(\text{cyl}\)800cm³/trCatalogue (Sect. 2)
Rendement Mécanique\(\eta_{\text{meca}}\)0.90-Catalogue (Sect. 2)
Facteur d'unités\(20\pi\)\(\approx 62.83\)-Conv. bar/cm³ -> Nm

💡 Comprendre le facteur \(20\pi\) : Si on utilisait les unités SI (Pascals, m³), la formule serait simple : \(C = \Delta P \cdot \text{cyl} / 2\pi\).
Mais en hydraulique, on utilise le bar (\(10^5\) Pa) et le cm³ (\(10^{-6}\) m³).
Le rapport \(10^5 / 10^{-6}\) donne \(10^{-1}\). Combiné au \(2\pi\), cela simplifie la formule pratique avec ce coefficient 20 au dénominateur (ou \(20\pi\) selon où l'on place les termes). Retenez simplement la formule pratique avec les unités usuelles !

Étape 2 : Application Numérique Détaillée

Calcul de la Pression Différentielle \(\Delta P\) :

Nous appliquons la formule inversée. Notez bien que le rendement mécanique est au dénominateur. C'est logique : si le rendement est mauvais (faible), il faut fournir plus de pression pour vaincre les frottements et fournir le même couple.

\[ \begin{aligned} \Delta P &= \frac{C_{\text{utile}} \times 20\pi}{\text{cyl} \times \eta_{\text{meca}}} \\ &= \frac{736 \text{ Nm} \times 62.83}{800 \text{ cm}^3/\text{tr} \times 0.90} \\ &= \frac{46\,242.88}{720} \\ &= 64.226... \text{ bar} \end{aligned} \]

👉 Nous arrondirons cette valeur à l'entier supérieur pour les réglages.

Validation et Analyse des Résultats
LECTURE : PRESSION DE SERVICE
0 50 100 bar Kl. 1.6 64.2 bar
TAUX DE CHARGE (SÉCURITÉ)
P.Max (200b) 65 bar (32% de charge) MARGE : OK ✅
Résultat Validé \(\Delta P \approx 65 \text{ bar}\)
🤔 Analyse de Cohérence Technique

La pression de service calculée (65 bar) est très nettement inférieure à la pression maximale admissible des composants (200 bar).
Conclusion : Ce niveau de pression est excellent. Il laisse une marge de sécurité considérable (>60%) pour :

  • Absorber les pics de pression au démarrage (inertie).
  • Lever la charge de test de 750 kg sans atteindre la limite de sécurité.
  • Garantir une longue durée de vie aux composants (moins de fatigue).

⚠️ Distinction Pression Moteur / Pression Pompe
  • La valeur de 65 bar est la différence de pression (\(\Delta P\)) nécessaire aux bornes du moteur.
  • La pompe devra fournir un peu plus pour compenser les pertes de charge dans les tuyauteries (\(\Delta P_{\text{ligne}}\)). On estime généralement ces pertes à 5-10 bar. La pression de réglage du limiteur devra donc être autour de 80-90 bar.
Que se passe-t-il si le rendement mécanique diminue ?

Si le moteur vieillit ou s'il fait très froid (huile visqueuse), les frottements augmentent (\(\eta_{\text{meca}}\) diminue). Comme \(\eta_{\text{meca}}\) est au dénominateur, la pression nécessaire va augmenter pour lever la même charge. Si elle atteint le tarage du limiteur de pression, la charge ne montera plus !

3

Calcul du Débit Nécessaire \(Q\)

🎯 Objectif Détaillé

Maintenant que la pression est définie (pour lever la charge), nous devons dimensionner la vitesse du système. En hydraulique volumétrique, la vitesse d'un actionneur est directement proportionnelle au débit de fluide qui l'alimente.

L'objectif est de calculer le débit (\(Q_{\text{pompe}}\)) que la centrale hydraulique doit injecter dans le circuit pour forcer le moteur à tourner à 31.8 tr/min. Ce calcul doit impérativement prendre en compte les défauts d'étanchéité internes du moteur (rendement volumétrique) qui "gaspillent" une partie du débit.

📚 Référentiel & Physique
Mécanique des Fluides Technologie Hydraulique
📘 Rappel Théorique : Le Rendement Volumétrique (\(\eta_{\text{vol}}\))

Dans un composant hydraulique réel, il existe toujours un jeu fonctionnel entre les pièces mobiles (pistons/barillet ou engrenages/carter) pour permettre le mouvement et la lubrification.
Sous l'effet de la haute pression, une partie de l'huile passe par ces jeux et retourne directement au réservoir (via le drain) sans pousser le mécanisme. C'est ce qu'on appelle les fuites internes.
Conséquence : Pour qu'un moteur tourne à la vitesse voulue, il faut lui fournir son volume géométrique théorique PLUS le volume perdu en fuites. La pompe doit donc être surdimensionnée par rapport à la théorie.

📐 Formules de Débit
1. Débit Théorique (Géométrique)

Volume balayé par minute sans aucune fuite :

\[ Q_{\text{th}} (\text{L/min}) = \frac{\text{cyl} (\text{cm}^3/\text{tr}) \times N (\text{tr/min})}{1000} \]
2. Débit Réel (Pompe)

Débit à fournir en tenant compte des pertes :

\[ Q_{\text{pompe}} = \frac{Q_{\text{th}}}{\eta_{\text{vol}}} \]

Étape 1 : Recensement des Données d'Entrée

Nous récupérons la vitesse calculée en Q1 et les caractéristiques intrinsèques du moteur choisi.

DésignationSymboleValeurUnitéOrigine
Vitesse Rotation Cible\(N\)31.8tr/minRésultat Q1
Cylindrée Moteur\(\text{cyl}\)800cm³/trCatalogue (Sect. 2)
Rendement Volumétrique\(\eta_{\text{vol}}\)0.95-Catalogue (Sect. 2)

💡 Astuce Conversion : Pourquoi diviser par 1000 ?
La cylindrée est en cm³ (centimètres cubes). Le débit est usuellement en Litres.
Comme \( 1 \text{ Litre} = 1000 \text{ cm}^3 \), on divise par 1000 pour passer de cm³/min à L/min.

Étape 2 : Application Numérique Détaillée

1. Calcul du Débit Théorique :

Imaginons le moteur comme une série de "boîtes" de 800 cm³ qu'il faut remplir. À 31.8 tours par minute, quel est le volume total ?

\[ \begin{aligned} Q_{\text{th}} &= \frac{\text{cyl} \times N}{1000} \\ &= \frac{800 \text{ cm}^3/\text{tr} \times 31.8 \text{ tr/min}}{1000} \\ &= \frac{25440}{1000} \\ &= 25.44 \text{ L/min} \end{aligned} \]

2. Calcul du Débit Réel (Dimensionnement Pompe) :

Le rendement volumétrique est de 0.95 (95%). Cela signifie que 5% de l'huile fuit au drain. Pour compenser cette perte et maintenir la vitesse, nous devons augmenter le débit source. On divise par le rendement (car diviser par < 1 augmente le résultat).

\[ \begin{aligned} Q_{\text{pompe}} &= \frac{Q_{\text{th}}}{\eta_{\text{vol}}} \\ &= \frac{25.44 \text{ L/min}}{0.95} \\ &= 26.778... \text{ L/min} \end{aligned} \]

👉 C'est cette valeur que la pompe doit être capable de délivrer physiquement.

Schémas : Bilan des Flux
RÉPARTITION RÉELLE DU DÉBIT
MOTEUR UTILE (Th) Rotation ~25.4 L FUITES (Drain) ENTRÉE POMPE 26.8 L/min
SÉLECTION TECHNOLOGIQUE
HYDRAULIC PUMP REF: P2-18 18 cc/rev Q = 27 L/min @ 1500 tr/min
Résultat Validé \(Q_{\text{pompe}} \approx 27 \text{ L/min}\)
🤔 Analyse de cohérence Industrielle

Le moteur électrique d'entraînement tourne généralement à une vitesse fixe (standard asynchrone 4 pôles : 1500 tr/min).
Pour obtenir 27 L/min à 1500 tr/min, il nous faut une pompe de cylindrée :
\( \text{cyl}_{\text{pompe}} = \frac{27000}{1500} = 18 \text{ cm}^3/\text{tr} \).
C'est une cylindrée standard (Groupe 2) très courante et économique. Le dimensionnement est donc excellent.

⚠️ Influence de la Viscosité (Température)
  • Si l'huile chauffe, sa viscosité baisse (elle devient "plus liquide").
  • Conséquence : Elle s'échappe plus facilement par les jeux \(\rightarrow\) Les fuites internes augmentent (\(\eta_{\text{vol}}\) diminue).
  • Résultat visible : La vitesse de montée de la charge ralentit alors que le moteur tourne toujours à la même vitesse. C'est le phénomène de "glissement".
Pourquoi divise-t-on par le rendement volumétrique au lieu de multiplier ?

Pensez à votre salaire brut vs net. La pompe est "l'employeur" (source) et le moteur est "l'employé" (récepteur). Le moteur a besoin de 25.44L nets pour vivre (tourner). Comme il y a des taxes (fuites) en route, l'employeur (la pompe) doit verser plus (Brut) pour qu'il reste assez à l'arrivée. D'où la division par 0.95 qui augmente le chiffre.

4

Bilan de Puissance & Sélection Moteur

🎯 Objectif Détaillé

Nous arrivons à la fin de la chaîne de dimensionnement. Nous connaissons la pression (effort) et le débit (vitesse) que la pompe doit générer. L'objectif est maintenant de calculer la puissance mécanique nécessaire sur l'arbre de la pompe pour produire cette énergie hydraulique.

Ce calcul permet de sélectionner le Moteur Électrique dans le catalogue des standards industriels (Norme IEC). Un sous-dimensionnement entraînerait le calage du moteur ou le déclenchement des protections thermiques. Un sur-dimensionnement augmenterait inutilement le coût, l'encombrement et la consommation électrique (mauvais cos \(\varphi\)).

📚 Référentiel & Physique
Thermodynamique Électrotechnique Rendements
📘 Rappel Théorique : La Puissance (\(P\))

La puissance est définie comme le produit d'une variable d'effort par une variable de flux.
• En Mécanique : \( P = \text{Couple} \times \text{Vitesse Angulaire} \)
• En Électricité : \( P = \text{Tension} \times \text{Courant} \)
• En Hydraulique : \( P = \text{Pression} \times \text{Débit} \)
À chaque conversion d'une forme d'énergie à une autre, il y a des pertes (chaleur, frottements). La puissance à fournir à l'entrée (\(P_{\text{abs}}\)) est toujours supérieure à la puissance disponible en sortie (\(P_{\text{utile}}\)). Le rapport est le rendement (\(\eta\)).

📐 Formules de Puissance
1. Puissance Hydraulique Utile

C'est la puissance transmise au fluide par la pompe :

\[ P_{\text{hyd}} (\text{kW}) = \frac{\Delta P (\text{bar}) \times Q (\text{L/min})}{600} \]
2. Puissance Mécanique à l'Arbre (Entrée Pompe)

C'est la puissance que le moteur électrique doit délivrer :

\[ P_{\text{él}} = P_{\text{arbre}} = \frac{P_{\text{hyd}}}{\eta_{\text{pompe}}} \]

Étape 1 : Données d'Entrée

Nous récupérons les résultats finaux des questions précédentes et estimons le rendement de la pompe.

DésignationSymboleValeurUnitéOrigine
Pression de Service\(\Delta P\)64.3barRésultat Q2 (non arrondi)
Débit Pompe\(Q\)26.8L/minRésultat Q3 (non arrondi)
Rendement Global Pompe\(\eta_{\text{pompe}}\)0.85-Hypothèse (Standard)

💡 D'où vient le "600" ? C'est un facteur de conversion d'unités.
\( 1 \text{ bar} = 10^5 \text{ Pa} \) et \( 1 \text{ L/min} = \frac{10^{-3}}{60} \text{ m}^3/\text{s} \).
\( P(\text{Watt}) = P(\text{Pa}) \times Q(\text{m}^3/\text{s}) = 10^5 \times \frac{10^{-3}}{60} = \frac{100}{60} = \frac{5}{3} \).
Pour avoir des kW (diviser par 1000), on obtient : \( \frac{100}{60 \times 1000} = \frac{1}{600} \).

Étape 2 : Application Numérique Détaillée

1. Puissance Hydraulique Utile :

Calculons l'énergie pure contenue dans le fluide qui sort de la pompe.

\[ \begin{aligned} P_{\text{hyd}} &= \frac{\Delta P \cdot Q}{600} \\ &= \frac{64.3 \text{ bar} \times 26.8 \text{ L/min}}{600} \\ &= \frac{1723.24}{600} \\ &= 2.872 \text{ kW} \end{aligned} \]

2. Puissance Moteur Nécessaire (À l'arbre) :

La pompe consomme de l'énergie pour ses propres frottements mécaniques et fuites internes (\(\eta_{\text{pompe}} = 0.85\)). Le moteur électrique doit fournir ce surplus.

\[ \begin{aligned} P_{\text{él}} &= \frac{P_{\text{hyd}}}{\eta_{\text{pompe}}} \\ &= \frac{2.872 \text{ kW}}{0.85} \\ &= 3.379 \text{ kW} \end{aligned} \]

👉 C'est la puissance minimale stricte que le moteur doit être capable de délivrer en continu.

Schémas : Validation & Choix
BILAN ÉNERGÉTIQUE (SANKEY)
POMPE MOTEUR 3.37 kW FLUIDE 2.87 kW Pertes (Frottements & Fuites)
CATALOGUE CONSTRUCTEUR (IEC)
Besoin : 3.37 kW 3 kW 4 kW Marge +18% 5.5 kW Surdimensionné
Résultat Validé Choix : Moteur 4 kW (Standard IEC, 4 pôles, 1500 tr/min)
🤔 Analyse de Cohérence

Le besoin calculé est de 3.37 kW. Le standard inférieur (3 kW) est trop faible (déficit de 12%) et risquerait de caler en charge ou de surchauffer.
Le standard supérieur est 4 kW. Cela offre une marge de sécurité confortable de \(\frac{4 - 3.37}{3.37} \approx 18\%\). C'est le choix technique et économique optimal.

⚠️ Démarrage en Charge
  • Un moteur électrique peut fournir temporairement plus que sa puissance nominale (couple de démarrage).
  • Cependant, pour un usage continu comme le levage (Service S1), il est impératif de respecter la puissance nominale pour éviter de "griller" le moteur.
Pourquoi ne pas prendre un moteur de 5.5 kW par sécurité ?

Ce serait un surdimensionnement inutile. Cela augmenterait le coût d'achat, le poids du système, l'encombrement sur le pont, et le moteur fonctionnerait à un régime de charge partielle où son rendement électrique et son facteur de puissance (\(\cos \varphi\)) sont moins bons.


🏆 Synthèse : Chaîne de Puissance

Vue d'ensemble du système dimensionné avec les valeurs clés à chaque étape de la transformation d'énergie.

CENTRALE HYDRAULIQUE TREUIL & CHARGE MOTEUR ÉLEC. 4 kW (Installé) POMPE 27 L/min 65 bar MOTEUR HYD. C = 736 Nm N = 32 tr/min TAMBOUR 500 kg V = 0.5 m/s
🔍 Analyse du Flux de Puissance :
1. Source Le moteur électrique (4 kW) fournit l'énergie mécanique initiale à la pompe via l'arbre d'accouplement.
2. Conversion Hyd. La pompe transforme l'énergie mécanique en énergie hydraulique (Débit 27 L/min).
3. Transmission Le fluide sous pression (65 bar) transporte la puissance vers l'actionneur via les tuyauteries.
4. Utilisation Le moteur hydraulique génère le couple (736 Nm) pour le tambour qui lève la charge.

HYDRO-TECH Bureau d'Études Oléohydrauliques
DOC: FT-TR-500
REV: 1.2
DATE: 30/05/2024

Fiche Technique de Dimensionnement

Informations Projet
Projet : Modernisation Treuil "L'Audacieux"
Référence : TR-500-MOD-24
Client : Navale Services SA
Phase : Avant-Projet Définitif (APD)
Performances Requises & Calculées
Paramètre Valeur Unité Note
Charge Nominale 500 kg Donnée Client
Vitesse Levage 0.5 m/s Donnée Client
Couple Sortie 736 Nm Calculé
Vitesse Rotation 32 tr/min Calculée
Pression Service (\(\Delta P\)) 65 bar < 200 bar (OK)
Débit Pompe 27 L/min @ 1500 tr/min
Sélection Composants
Moteur Hydraulique Orbitrol 800 cm³/tr
Pompe Hydraulique Engrenages Gr.2 (18cc)
Moteur Électrique 4 pôles - 4 kW
Fluide ISO VG 46
Exercice de Dimensionnement Hydraulique
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