Créé le : 03/08/2009
HYDRAULIQUE MOBILELes tendances principales des produits et systèmes d'hydraulique mobile sont pilotées par le marché : augmentation des performances, des fonctionnalités et du confort, réduction du volume et des coûts, et respect des exigences légales et environnementales. Elles se remarquent à travers : les unités à pistons axiaux, les unités à transmission externe, les contrôles mobiles, l'électronique mobile, les services mobiles.L'électronique est maintenant omniprésente au niveau de tous les composants : Télécommande, Pompes, Valves, Capteurs L'utilisation d'un bus de données unique pour le pilotage des composants et la mesure à partir de capteurs rendent les systèmes embarqués plus compacts et moins coûteux à fabriquer. Par exemple, le bus CANOpen est largement employé car il présente de nombreux avantages: Rapidité, Sûreté : redondance, contrôle des informations, réduction du taux d'erreur Relié directement aux capteurs, Permet de contrôler et piloter les paramètres : pression, contrôle de vitesse ou de cylindrée de pompe Bosch Rexroth a développé toute une gamme de matériels qui permettent de faire des contrôles électriques embarqués [1, 15, 17, 18, 31-33].EVOLUTION DES POMPESLes pompes à engrenages sont largement employées dans l'hydraulique mobile car elles permettent d'obtenir une forte densité d'énergie avec une conception simple, un coût de fabrication économique et une utilisation fiable. Pour poursuivre leur développement, les pompes à engrenages doivent maintenant fournir une plus large gamme de pressions de service, réduire les pulsations, le bruit et avoir une plus grande durée de vie [8, 9, 28].CONTROLE A DISTANCE PERFORMANTLa manuvre des engins mobiles a beaucoup progressé avec les télécommandes filaires. Particulièrement adaptées aux environnements dangereux, elles offrent un meilleur confort d'utilisation et une plus grande liberté de mouvement.Les technologies sans-fil commencent également à apparaître : Infra Rouge Wifi Onde radio Ces solutions sont encore au stade d'essai et doivent répondre à tous les aspects sécurité.De même que pour la commande des vannes et autres composants hydraulique, la tendance est à l'intégration électronique et à l'utilisation de joysticks à micro-contacteurs.Ces nouvelles commandes proportionnelles permettent des déplacements beaucoup plus précis [2, 35].TELESURVEILLANCE Comme on le voit dans l'aéronautique pour la maintenance des moteurs, certains constructeurs de matériels très sollicités commencent à intégrer des capteurs avec transmission de données jusqu'à un centre de surveillance via internet ou par téléphonie (GSM, SMS ). Télésurveillance via Internet ou téléphonie mobile, jusqu'à un centre de surveillanceCe type de surveillance permet de prévoir les opérations de maintenance (acheminement des pièces de rechange, planning d'intervention ) pour du matériel qui a un taux d'utilisation très élevé, le plus souvent dans des zones géographiques reculées. [3].ELECTRONIQUE ET INFORMATIQUE EMBARQUEEL'électronique de gestion et de mesure embarquée est omniprésente dans de nombreux composants : valves, pompes, éléments mécaniques dans l'hydraulique mobile La recherche de performance et de baisse de la consommation passe par une meilleure gestion dynamique des composants : Allumage, Injection, Régime Cette gestion ne peut être réalisée qu'en instrumentant les composants et en utilisant des logiciels de gestion.Durant ces dix dernières années, on a assisté à une standardisation des protocoles de communication via des bus de données : CANOpen, PROFIBUS, FIELDBUS La possibilité d'avoir, avec un même protocole, des informations de mesures ou de position directement numériques, permet de simplifier et de fiabiliser les équipements. Ces composants de contrôle sont aujourd'hui directement intégrés aux différents composants. La figure ci-dessous montre une architecture type que l'on rencontre dans les circuits de commande intégrée. Architecture type de commande intégréeLes produits les plus récents intègrent un microprocesseur DSP (Digital Signal Processing) qui permet de faire des calculs pour la régulation en temps réel.Pour ce qui est des anciens capteurs analogiques, les microcontrôleurs intègrent en général un convertisseur analogique / numérique en standard (4-20 mA ou 10 V).Ce type d'architecture (figure suivante) ne nécessite pas de câblage important car les différents composants sont sur une chaîne et partagent le même câble pour dialoguer avec le contrôleur [4, 15, 17, 18, 23, 32-34]. Architecture avec bus de donnéesBRUIT, VIBRATIONSLes fabricants intègrent maintenant au plus tôt la problématique de réduction du bruit au niveau de l'optimisation de la géométrie des pièces.Quelques exemples : Pompes axiales : diminution du bruit de 6 dB(A). Fentes de progressivité pour éviter les variations brusques. Adjonction d'un système de pré-compression Diminution du bruit en adaptant la géométrie d'engrènement. Anciens profils : denture classique Nouveaux profils : denture évidéeCes optimisations font largement appel aux outils de simulation. L'adjonction de briques de calcul aux logiciels de conception les rend capables de donner une cartographie des vibrations [1, 6, 7, 11-14, 21, 28].CONCEPTION DES SYSTEMES ET DES COMPOSANTSLes produits hydrauliques sont de plus en plus complexes et font appel, comme bien d'autres produits, à des métiers très différents : mécanique, usinage, informatique, électronique Les fabricants ont besoin d'outils comme la simulation numérique, pour réduire les délais des phases de conception et pour limiter les risques industriels.Parallèlement à la simulation numérique, il est aujourd'hui possible de simuler toute la chaîne hydraulique et de tester les programmes de commande. L'utilisation des nouveaux langages de programmation par blocs est beaucoup plus simple d'utilisation et réduit les risques d'erreurs. C'est ce que proposent des logiciels comme BODEM, BODAS, SimulationX.LA SIMULATION NUMERIQUE MAINTENANT ACCESSIBLE :Les logiciels de simulation par éléments finis ont gagné en précision et en facilité d'utilisation. Ils ne sont plus réservés aux travaux de recherche et développement et peuvent être utilisés dans les phases de conception. Ils font moins appel à des connaissances scientifiques pointus ce qui les rends utilisables dans les bureaux d'études.On voit apparaître également chez certains fabricants l'utilisation de la réalité virtuelle pour visualiser par exemple les écoulements en dynamique. Ces outils virtuels' permettent de valider de nombreux concepts ou configurations avant de réaliser les prototypes industriels. Ce type d'équipement reste encore très coûteux car il fait appel à des stations graphiques (SUN, HP ) et à un local dédié. Les prix vont certainement baisser avec le développement de l'électronique des jeux vidéo, qui oblige les fabricants (ATI, MATROX ) à concevoir des circuits graphiques toujours plus puissants bon marché.LA SIMULATION NUMERIQUE SUR DES CAS CONCRETS : Réduction des pulsations : Simulation des formes de dentures ; Optimisation de la cinématique ; Cycle des pompes à piston Augmentation des performances des pompes à pistons. Simulation intégrée de la chaîne hydraulique. Ecoulement dans les composants : valves, pompes, Zones de vibrations : optimisation des assemblages et de la géométrie des éléments.La simulation par éléments finis permet de réduire les temps de développement et de limiter les risques d'erreurs. Certains fabricants vont encore plus loin dans la phase de prototypage en utilisant les techniques d'observation optiques pour caractériser les écoulements et la cinématique [5, 6, 10, 13, 20, 22, 24-31]. Visualisation optique des écoulementsCOMPOSANTS MINIATURESEn marge de l'utilisation en hydraulique mobile, une technologie progresse de façon importante : la mini-pneumatique (diamètres de 1/8 de pouce et moins). Elle dispose de toute la gamme des composants : Valves, Filtres, Régulateurs, Actionneurs Elle se développe pour l'électronique, où la compacité et les coûts doivent toujours être améliorés, pour la manutention et l'assemblage de pièces petites et fragiles, incluant un absorbeur de chocs, la mini-robotique, etc. Les techniques de fabrications sont celles de l'électronique : lithographie, ablation laser, dépôt en phase vapeur (PVD), brasage Les composants sont fabriqués en couches successives [16-18, 20].Références bibliographiques[1] New developments and trends in hydraulics for mobile applications (M.G. Kliffken, G. Geerling, Bosch Rexroth), 8th SICFP, Tampere, 7-9 mai 2003, p.77-88.[2] Challenge and solutions for concrete pumps (H.Benckert, H.P. Renz, Putmeister AG), IFK Aachen 2002, T4 vol.2, p.33-53.[3] Service Product, Impact performance (H. Prokop, T. Deimel, Krupp), IFK Aachen 2002, T4 vol.2, p.55-65.[4] On bord electronics electronic control units for mobile hydraulic system (G. Müller, Bosch Rexroth), IFK Aachen 2002, T4 vol.2, p.79-87.[5] The use of computer simulation in pulsation reduction for hydraulic piston pumps ( F. Weingarten, Parker Hannifin), IFK Aachen 2002, T4 vol.2, p.127-140.[6] Design tools for modern external gear pumps (D. Schwuchow, Bosch Rexroth), IFK Aachen 2002, T4 vol.2, p.141-152.[7] Dynamic transmission behavuour of oil-filled gaps within external gear pumps (H. Mult, Institute of Mechine Tools, Stuttgart), IFK Aachen 2002, T4 vol.2, p.191-202. [8] Dedicated design of the hydraulic transformer (P. Achten, T. Van den Brink), IFK Aachen 2002, T4 vol.2, p.233-248.[9] Dynamic analysis of shuttle technique performance applied on hydraulic transformer (A. Johansson, R. Werndin, Linköping University), IFK Aachen 2002, T4 vol.2, p.249-261.[10] Advancements in hydraulic motor testing through the use of rapid prototyping software development tools (R. Case, Eaton Aerospace), IFK Aachen 2002, T4 vol.2, p.377-388.[11] Noise generation and reduction in fluid power units (W. Fiebig, Bosh Braking Systems), IFK Aachen 2002, T4 vol.2, p.525-541.[12] Primary and secondary measures to reduce the noise of hydraulic fluid power (K. Goebbels, Hydac Technology GmbH), IFK Aachen 2002, T4 vol.2, p.543-556.[13] Simulation of flui borne noise in hydraulic systems (B. Müller, John Deere), IFK Aachen 2002, T4 vol.2, p.557-568.[14] Means of reducing noise on hydraulic powerpacks (J. Dantlgraber, A. Feuser, Bosch Rexroth), IFK Aachen 2002, T4 vol.2, p.593-603.[15] Hydraulics drive machine tools challenging and promising drive solutions (E. Vier, Bosch Rexroth), IFK Aachen 2002, T3 vol.1, p.55-66.[16] Miniaturisation of pneumatic systems and automation products (A. Muth, Festo), IFK Aachen 2002, T3 vol.1, p.95-106.[17] Trends in valve development (H. Murrenhoff, Institute for fluid power drives and control), IFK Aachen 2002, T3 vol.1, p.109-143.[18] New concept for proportional pneumatic valves for application in field busses with integrated power supply (R. Bublitz, IFAS), IFK Aachen 2002, T3 vol.1, p.167-181.[19] Hydraulic valves with digital on-board electronics approach realization, applications (O. Römert, M. Clauss, Bosch Rexroth), IFK Aachen 2002, T3 vol.1, p.183-194.[20] Develoment of a thermal actuated micro-valve (G. Günther, IFAS et H.J. Quenzer, Fraunhofer institute for silicon technology), IFK Aachen 2002, T3 vol.1, p.229-241.[21] Cavitation resistance water hydraulic pressure relief valve (T. Liukkunen, Tampere University of technology), IFK Aachen 2002, T3 vol.1, p.255-266.[22] Simulation technology support for improvements in modern fluidic drives (A. Feuser, V. 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Djurovic, Institüte für fluidtechnik), IFK Dresden 2004, vol.2, p.59-70.Abréviation des références :SICFP : Scandinavian International Conference on Fluid PowerIFK : International Fluid Power ConferenceNote de veille rédigée par Bernard Hansz (BHK Consulting) , Christophe Malavolta (HMi) et Jean-Marc Bélot (Cetim).