TRANSMISSIONS PNEUMATIQUE ET HYDRAULIQUE, 3 ÈME ANNEE, OPTION MECANIQUE GENERALE

Edition 2025 / Enseignement primaire, secondaire et technique en RDC.

Préliminaires

Objectifs Pédagogiques du Cours 🎯

Ce cours a pour objectif de rendre le futur technicien compétent dans la compréhension, l’analyse et la maintenance des systèmes de transmission de puissance par fluides. Au terme de cette année, l’élève doit maîtriser le rôle et le fonctionnement des composants de base (vérins, distributeurs, régulateurs), savoir lire et interpréter un schéma pneumatique ou hydraulique, et être capable de concevoir et d’analyser des circuits logiques simples. Cette compétence est cruciale, car l’automatisation par ces technologies est au cœur des machines de production modernes dans tous les secteurs industriels.

Approche Didactique et Méthodologique 🔧

L’enseignement privilégie une approche résolument pratique et systémique. Chaque composant est étudié non pas isolément, mais en tant qu’élément d’une chaîne fonctionnelle : production d’énergie, distribution, et action. La lecture de schémas et la symbolisation normalisée (ISO 1219) constituent le langage de base enseigné dès le début. La complexité des circuits est abordée de manière progressive, en partant de la commande directe d’un simple actionneur pour aboutir à la réalisation de cycles automatiques séquentiels. Des séances de travaux pratiques sur des bancs didactiques sont essentielles pour transformer la connaissance théorique en savoir-faire concret.

Contexte Industriel et Sécurité 🏭

La pertinence du cours est assurée par des exemples tirés des applications industrielles courantes en RDC : les circuits pneumatiques des machines d’emballage dans l’agroalimentaire à Kinshasa, les systèmes hydrauliques des engins de chantier ou miniers au Kasaï, ou encore les commandes oléo-pneumatiques des machines-outils dans les ateliers de maintenance. Une attention particulière est portée aux règles de sécurité spécifiques à chaque technologie : les dangers liés à la détente brutale de l’air comprimé et les risques de brûlures ou d’injection sous-cutanée avec les fluides hydrauliques sous haute pression.

Partie I : Principes Fondamentaux des Transmissions par Fluides

Cette partie introductive établit les bases physiques et technologiques communes à la pneumatique et à l’hydraulique. Elle vise à fournir à l’élève les concepts et le langage qui lui permettront de comprendre la logique de fonctionnement de tout circuit de transmission par fluide.

Chapitre 1 : Introduction aux Systèmes Hydrauliques et Pneumatiques

Ce chapitre positionne les deux technologies, en compare les caractéristiques et introduit le langage graphique universel utilisé pour les décrire.

1.1. Comparaison des Technologies : Avantages et Inconvénients

Une comparaison systématique est menée entre la pneumatique (fluide compressible, rapide, propre, faibles efforts) et l’hydraulique (fluide incompressible, lent, puissant, précis). Les domaines d’application privilégiés de chaque technologie sont ainsi justifiés.

1.2. Structure d’un Système : Production, Distribution, Action

La structure fonctionnelle de toute chaîne de transmission par fluide est décomposée en trois blocs : la section de production d’énergie (compresseur ou centrale hydraulique), la section de distribution et de commande (tuyauterie, distributeurs), et la section d’action (vérins, moteurs).

1.3. Circuits de Puissance et Circuits de Commande

La distinction fondamentale entre le circuit de puissance, qui achemine l’énergie vers les actionneurs, et le circuit de commande (ou de pilotage), qui gère la logique de fonctionnement et donne les ordres aux composants de puissance, est établie.

1.4. Symbolisation Graphique Normalisée (ISO 1219)

La norme ISO 1219 est présentée comme le langage graphique international de la profession. Les principes de base de la symbolisation (carrés pour les positions, flèches pour les passages de fluide, symboles de commande) sont enseignés pour permettre une lecture immédiate des schémas.

Chapitre 2 : Les Fluides et Leurs Propriétés Physiques

Ce chapitre se concentre sur les fluides de travail eux-mêmes et sur les lois physiques qui régissent leur comportement et permettent la transmission de l’énergie.

2.1. L’Air Comprimé : Propriétés et Comportement

L’air est présenté comme un gaz compressible, ce qui explique sa capacité à stocker de l’énergie mais aussi son comportement « élastique ». Les problématiques liées à la présence de vapeur d’eau et d’impuretés dans l’air sont introduites.

2.2. Les Huiles Hydrauliques : Fonctions et Caractéristiques

L’huile est présentée comme un fluide quasi incompressible. Ses multiples fonctions sont détaillées : transmission de puissance, lubrification, refroidissement et protection contre la corrosion. Les caractéristiques clés (viscosité, indice de viscosité) sont définies.

2.3. Notions de Pression, Débit et Puissance

Les trois grandeurs fondamentales sont définies et leurs unités sont précisées. La pression (en bars ou Pascals) est liée à l’effort, le débit (en l/min ou m³/s) est lié à la vitesse, et la puissance hydraulique est proportionnelle au produit des deux.

2.4. Le Principe de Pascal et la Multiplication des Efforts

Le principe de Pascal est énoncé comme la loi fondamentale de l’hydraulique statique. Il explique comment une faible force appliquée sur un petit piston peut générer une force très importante sur un grand piston, principe de base de la presse hydraulique.

Partie II : Les Composants des Circuits de Puissance

Cette partie est une étude technologique détaillée des différents « organes » qui constituent un circuit. La connaissance de leur constitution, de leur fonctionnement et de leur symbole est indispensable pour toute intervention.

Chapitre 3 : Les Actionneurs Linéaires – Vérins

Ce chapitre explore les composants qui transforment l’énergie du fluide en un mouvement de translation, réalisant ainsi le travail mécanique utile.

3.1. Le Vérin Simple Effet : Constitution et Fonctionnement

Le vérin simple effet, dont la course de travail s’effectue dans un seul sens sous l’action du fluide (le retour étant assuré par un ressort ou une charge externe), est décrit. Sa simplicité et son économie de consommation d’air sont soulignées.

3.2. Le Vérin Double Effet : Maîtrise du Mouvement dans les Deux Sens

Le vérin double effet est présenté comme l’actionneur linéaire le plus courant, permettant de produire un effort moteur à la fois en sortie et en rentrée de tige. Sa constitution (piston, tige, joints) est analysée.

3.3. Technologies Spécifiques : Amortissement de Fin de Course, Vérins Anti-rotation

Des variantes technologiques sont introduites, comme les amortissements de fin de course (pneumatiques ou hydrauliques) qui permettent de décélérer la masse en mouvement, et les vérins à tige anti-rotation pour les applications de guidage.

3.4. Calcul de l’Effort et de la Vitesse d’un Vérin

Les formules de base pour le dimensionnement d’un vérin sont établies. Le calcul de l’effort théorique (pression × section) et de la vitesse (débit / section) est exercé, en distinguant le mouvement de sortie de tige de celui de rentrée de tige.

Chapitre 4 : Les Actionneurs Rotatifs – Moteurs et Vérins Rotatifs

Ce chapitre, enrichi par rapport au programme de base, aborde les composants qui transforment l’énergie du fluide en un mouvement de rotation.

4.1. Les Moteurs Pneumatiques : Types et Applications

Les moteurs pneumatiques (à palettes, à pistons) sont présentés. Leurs caractéristiques (grande vitesse de rotation, insensibilité aux surcharges, réversibilité) les destinent à des applications comme les outils portatifs (visseuses, meuleuses).

4.2. Les Moteurs Hydrauliques : Engrenages, Palettes, Pistons

Les moteurs hydrauliques sont décrits comme des actionneurs capables de développer des couples très élevés à basse vitesse. Les différentes technologies (à engrenages, à palettes, à pistons axiaux ou radiaux) sont classifiées.

4.3. Les Vérins Rotatifs : Génération de Mouvements Angulaires Limités

Le vérin rotatif est présenté comme une solution compacte pour générer des mouvements d’oscillation sur un angle défini (90°, 180°), utilisé par exemple pour la manœuvre de vannes ou le basculement de pièces.

4.4. Calcul du Couple et de la Vitesse de Rotation

Les formules de base pour le calcul du couple moteur (proportionnel à la pression et à la cylindrée) и de la vitesse de rotation (proportionnelle au débit) des moteurs hydrauliques sont introduites.

Chapitre 5 : Les Pré-actionneurs – Distributeurs

Ce chapitre est consacré à l’étude des « cerveaux » du circuit de puissance, les distributeurs, qui aiguillent le fluide sous pression vers les actionneurs pour commander leur mouvement.

5.1. Rôle et Classification des Distributeurs (Orifices, Positions)

Le rôle du distributeur est défini : commuter le passage du fluide. La classification normalisée (ex: 3/2, 5/2, 4/3) qui décrit le nombre d’orifices et de positions de commutation est expliquée en détail.

5.2. Technologie des Distributeurs : à Tiroir et à Clapet

Les deux principales technologies de construction sont comparées : le distributeur à tiroir, le plus courant, et le distributeur à clapet, qui garantit une meilleure étanchéité mais est plus limité en nombre de fonctions.

5.3. Les Modes de Commande : Manuelle, Mécanique, Pneumatique et Électrique

Les différents types de « pilotes » qui actionnent le tiroir ou le clapet du distributeur sont analysés : commande manuelle (levier, bouton-poussoir), mécanique (galet, poussoir), pneumatique (par un signal de pression) et électrique (par un solénoïde/électroaimant).

5.4. Lecture et Interprétation des Schémas de Distributeurs

Des exercices de lecture de symboles complexes sont réalisés, en apprenant à identifier la position de repos, les différents schémas de passage du fluide et les types de commande et de rappel (par exemple, par ressort).

Chapitre 6 : Les Composants de Conditionnement et de Contrôle

Ce chapitre explore les appareils annexes qui sont indispensables pour conditionner le fluide, réguler la vitesse des actionneurs et contrôler la pression dans le circuit.

6.1. Le Groupe FRL en Pneumatique : Filtre, Régulateur, Lubrificateur

Cet ensemble, placé à l’entrée de toute machine pneumatique, est décrit dans ses trois fonctions : filtrer l’air des impuretés et de l’eau, réguler la pression de travail à une valeur stable, et lubrifier l’air pour les composants en mouvement.

6.2. Les Appareils de Réglage du Débit (Limiteurs de Vitesse)

Les limiteurs de débit (ou étrangleurs) sont présentés comme le moyen de régler la vitesse des vérins. La différence entre un limiteur unidirectionnel (qui ne règle la vitesse que dans un sens) et bidirectionnel est expliquée.

6.3. Les Appareils de Contrôle de la Pression (Limiteurs, Réducteurs)

Les appareils agissant sur la pression sont distingués : le limiteur de pression (soupape de sécurité) qui protège le circuit contre les surpressions, et le réducteur de pression (régulateur) qui maintient une pression constante en aval.

6.4. Les Clapets Anti-Retour et les Sélecteurs de Circuit

Le clapet anti-retour, qui n’autorise le passage du fluide que dans un seul sens, est étudié. Son utilisation dans des composants logiques comme le sélecteur de circuit (fonction « OU ») est démontrée.

Partie III : Conception et Analyse de Circuits Pneumatiques

Cette partie met en application les connaissances sur les composants pour construire et analyser des circuits pneumatiques, de la simple commande manuelle à la réalisation de cycles automatiques.

Chapitre 7 : La Production et le Conditionnement de l’Air Comprimé

Ce chapitre, enrichi, s’intéresse à la source d’énergie du système pneumatique, la centrale de production d’air, car la qualité de l’air conditionne la fiabilité de toute l’installation.

7.1. Le Compresseur et le Réservoir d’Air

Le rôle du compresseur (générateur de pression) et du réservoir (stockage d’énergie, amortissement des pulsations) est rappelé. Le fonctionnement du pressostat qui automatise le démarrage du compresseur est expliqué.

7.2. Le Problème de l’Eau dans l’Air Comprimé : Sécheurs et Purgeurs

La saturation de l’air en vapeur d’eau et sa condensation dans le réseau sont présentées comme une source majeure de corrosion et de pannes. Les technologies de sécheurs d’air (frigorifiques, à adsorption) et l’importance des purgeurs sont étudiées.

7.3. Le Réseau de Distribution d’Air Comprimé

Les bonnes pratiques pour la conception d’un réseau de distribution sont énoncées : montage des tuyauteries en pente, piquages par le haut, et dimensionnement correct pour minimiser les pertes de charge.

7.4. Maintenance d’une Centrale de Production d’Air

Les opérations de maintenance préventive sont listées : purge régulière des réservoirs, nettoyage ou remplacement des filtres, surveillance du niveau d’huile du compresseur, constituant une tâche typique pour un technicien de maintenance.

Chapitre 8 : Circuits Pneumatiques de Base et Commande Directe

Ce chapitre aborde la conception des circuits les plus simples, où les distributeurs de puissance sont commandés directement par l’opérateur ou par des capteurs mécaniques.

8.1. Commande d’un Vérin Simple Effet

Le circuit de commande d’un vérin simple effet à l’aide d’un distributeur 3/2 (normalement fermé ou normalement ouvert) à commande manuelle et rappel par ressort est analysé.

8.2. Commande d’un Vérin Double Effet par Distributeur 5/2

Le circuit standard pour la commande d’un vérin double effet est présenté, utilisant un distributeur 5/2. Le réglage de la vitesse dans les deux sens à l’aide de deux limiteurs de débit unidirectionnels est mis en œuvre.

8.3. Commande depuis Plusieurs Points (Fonction « OU »)

La réalisation d’une commande « OU », où l’on peut actionner un vérin depuis plusieurs postes de travail (par exemple, de chaque côté d’un convoyeur), est réalisée à l’aide d’un sélecteur de circuit.

8.4. Commande de Sécurité (Fonction « ET »)

La réalisation d’une commande bi-manuelle de sécurité (typiquement pour une presse), qui oblige l’opérateur à utiliser ses deux mains et réalise une fonction logique « ET », est étudiée à l’aide d’une vanne à double pilotage.

Chapitre 9 : Circuits Pneumatiques à Commande Indirecte et Séquentielle

Ce chapitre introduit des logiques plus complexes, où les ordres ne sont plus donnés directement, et où plusieurs mouvements s’enchaînent automatiquement.

9.1. Commande à Distance par Pilotage Pneumatique

Le principe de la commande indirecte est expliqué : un distributeur de commande (de petit calibre) envoie un signal de pression pour piloter le distributeur de puissance (de gros calibre), ce qui permet de déporter la commande.

9.2. Commande par Impulsion avec Distributeur à Double Pilotage

L’utilisation d’un distributeur 5/2 à double pilotage pneumatique (à mémoire) est présentée. Une brève impulsion d’un côté suffit à le faire basculer, et il conserve sa position jusqu’à réception d’une impulsion inverse.

9.3. Réalisation de Cycles Automatiques Simples (A+ A-)

La réalisation d’un cycle de va-et-vient automatique pour un vérin A est étudiée. La sortie du vérin (A+) est déclenchée par un bouton « marche cycle », et le retour (A-) est déclenché automatiquement par un capteur de fin de course qui détecte que le vérin est sorti.

9.4. Séquençage de Deux Vérins (A+ B+ A- B-)

La réalisation d’une séquence automatique impliquant deux vérins est abordée comme une introduction à l’automatisme séquentiel. Les problèmes de signaux contradictoires et les méthodes pour les résoudre sont discutés.

Partie IV : Conception et Analyse de Circuits Hydrauliques

Cette dernière partie se focalise sur les spécificités des systèmes hydrauliques, caractérisés par des pressions élevées, des débits plus faibles et une exigence de propreté absolue du fluide.

Chapitre 10 : La Centrale Hydraulique et ses Composants

Ce chapitre, enrichi, est l’équivalent du chapitre sur la production d’air comprimé. Il décrit la source d’énergie d’un système hydraulique.

10.1. Le Réservoir : Fonctions et Constitution

Le réservoir hydraulique est présenté non pas comme un simple bac, mais comme un composant multifonctionnel assurant le stockage, le refroidissement, la décantation des impuretés et la désaération de l’huile.

10.2. La Pompe Hydraulique : Types et Rôle

Le rôle de la pompe, qui est de créer un débit, est réaffirmé. Les principales technologies de pompes volumétriques utilisées en hydraulique (à engrenages, à palettes, à pistons) sont décrites.

10.3. La Filtration et le Refroidissement de l’Huile

L’importance cruciale de la filtration pour protéger les composants de haute précision de l’hydraulique est soulignée. Les différents emplacements des filtres (aspiration, pression, retour) et les systèmes de refroidissement de l’huile (aéroréfrigérants) sont présentés.

10.4. L’Appareil Limiteur de Pression : Sécurité du Circuit

Le limiteur de pression est décrit comme le composant de sécurité absolument indispensable sur tout circuit hydraulique, protégeant la pompe et les autres organes contre les surpressions dangereuses.

Chapitre 11 : Circuits Hydrauliques de Base

Ce chapitre met en application les composants hydrauliques pour réaliser des circuits de commande de puissance, typiques des presses ou des engins de travaux publics.

11.1. Commande d’un Vérin Double Effet

Le circuit de commande d’un vérin hydraulique à l’aide d’un distributeur 4/3 (4 orifices, 3 positions) est analysé. La position centrale du distributeur (centre fermé, centre ouvert, etc.) et son influence sur le circuit au repos sont étudiées.

11.2. Réglage de la Vitesse par Lamination

La méthode de réglage de la vitesse d’un vérin hydraulique par un limiteur de débit est présentée. Les différents montages (en ligne, en dérivation) et leurs effets sur le rendement du circuit sont discutés.

11.3. Maintien en Position par Clapet Anti-Retour Piloté

Pour les applications de levage de charge, le clapet anti-retour piloté est présenté comme la solution de sécurité qui permet de bloquer un vérin en position en cas de rupture de flexible.

11.4. Applications : Circuit d’une Presse, d’un Élévateur

Des schémas de circuits hydrauliques simples et complets pour des applications industrielles concrètes (presse d’atelier, table élévatrice) sont analysés en détail, de la centrale jusqu’à l’actionneur.

Chapitre 12 : Circuits Oléo-Pneumatiques et Applications Spécifiques

Ce chapitre final aborde une technologie hybride qui combine les avantages de la pneumatique et de l’hydraulique, et ouvre sur les commandes modernes.

12.1. Principe des Circuits Oléo-Pneumatiques

Le principe de l’oléo-pneumatique est expliqué : un vérin pneumatique fournit l’effort moteur, tandis qu’un circuit hydraulique fermé, associé à ce vérin, sert uniquement de frein régulateur pour contrôler la vitesse.

12.2. Avantages : Régularité de Mouvement et Simplicité de Commande

Les avantages de cette solution sont mis en avant : on bénéficie de la simplicité et du faible coût de la commande pneumatique tout en obtenant la régularité et la précision de mouvement de l’hydraulique, une combinaison idéale pour de nombreuses machines.

12.3. Applications : Unités d’Avance de Perçage

L’application la plus classique de l’oléo-pneumatique, l’unité d’avance-perçage-taraudage, est décrite. Elle permet de réaliser des cycles automatiques avec une avance de travail lente et précise, et un retour rapide.

12.4. Introduction aux Automates Programmables pour la Commande

Une brève ouverture est faite sur les technologies de commande modernes. Il est expliqué que la logique séquentielle, réalisée avec des composants pneumatiques, est aujourd’hui de plus en plus souvent confiée à des automates programmables industriels (API) qui pilotent des électro-distributeurs.

Annexes

Les annexes fournissent des outils de référence rapide pour la conception et le dépannage des circuits.

Bibliothèque de Symboles ISO 1219 🗺️

Une planche récapitulative présente les symboles normalisés pour tous les composants étudiés au cours de l’année (vérins, distributeurs, clapets, filtres, pompes, moteurs, etc.).

Guide de Dépannage des Pannes Courantes 🔍

Un tableau synthétique aide au diagnostic des pannes fréquentes en pneumatique et en hydraulique (ex: « le vérin ne sort pas », « le mouvement est saccadé »), en listant les causes probables et les vérifications à effectuer.

Abaques de Dimensionnement des Tuyauteries 📏

Des abaques simplifiés sont fournis pour aider au choix du diamètre des tuyauteries hydrauliques et pneumatiques en fonction du débit et de la vitesse de fluide recommandée, afin de limiter les pertes de charge.