Pneumatique et hydraulique : vérins, distributeurs et électrovannes

Sur une machine d'atelier, l'électricien câble l'armoire, l'automate et les moteurs, mais ce qui bouge sous ses yeux est très souvent un vérin. La porte qui se ferme, la pince qui serre la pièce, la presse qui descend : derrière chaque mouvement, il y a de l'air comprimé ou de l'huile sous pression, et entre l'automate et ce fluide, une bobine alimentée en 24 V. Quand le vérin ne sort pas, c'est l'électricien qu'on appelle.

Le référentiel du bac pro MELEC range d'ailleurs la conversion et l'exploitation de l'énergie fluidique parmi les connaissances à maîtriser. Ce cours en donne les bases, du calcul de la force d'un vérin à la consignation. Il prolonge le cours sur le grafcet et l'automate programmable, où les vérins apparaissent comme de simples actions.

Pression, débit et force d'un vérin : les formules

La pression

La pression est une force répartie sur une surface : p = F / S. Son unité légale est le pascal (Pa), soit 1 newton par mètre carré. Le pascal est minuscule, on travaille donc en bar : 1 bar = 100 000 Pa = 0,1 MPa. La conversion la plus utile à retenir est celle-ci : 1 bar = 10 N/cm², soit 1 daN/cm². Elle permet de calculer une force de tête, avec une section en centimètres carrés.

Le manomètre d'une machine indique une pression relative, c'est-à-dire mesurée au-dessus de la pression atmosphérique. Un manomètre à zéro signifie que le circuit est à la pression de l'atelier, environ 1 bar en pression absolue. C'est la pression relative qui sert au calcul des forces ; la pression absolue ne revient que dans les calculs de consommation d'air.

La force : F = p × S

Le fluide sous pression appuie sur toute la surface du piston. La force développée vaut F = p × S, avec F en newtons, p en pascals et S en mètres carrés, ou plus simplement p en N/cm² et S en cm². Pour un piston circulaire d'alésage D, la section vaut S = π × D² / 4.

Prenons un vérin de 50 mm d'alésage alimenté à 6 bar. La section vaut π × 5² / 4 = 19,63 cm². La pression vaut 6 × 10 = 60 N/cm². La force en sortie de tige est donc F = 60 × 19,63 ≈ 1 178 N, de quoi soulever une masse d'environ 120 kg. Le même vérin alimenté en huile à 150 bar développerait 1 500 × 19,63 ≈ 29 450 N, de quoi soulever près de 3 tonnes.

En rentrée de tige, le fluide pousse sur l'autre face du piston, et la tige occupe une partie de la surface. La section utile devient annulaire : S = π × (D² − d²) / 4, où d est le diamètre de la tige. Avec une tige de 20 mm, on obtient 16,49 cm² et une force de 990 N seulement. Un vérin double effet tire donc toujours moins fort qu'il ne pousse.

Ces valeurs sont théoriques : les joints frottent et la charge doit être accélérée. En pneumatique, on choisit donc un vérin nettement plus fort que la charge : on applique un taux de charge, rapport entre l'effort demandé et l'effort théorique. Sa valeur est fixée par l'énoncé ou par le bureau d'études ; les exercices prennent couramment 0,6.

Le débit

Le débit est le volume de fluide qui passe par unité de temps, en litres par minute ou en mètres cubes par seconde. Il fixe la vitesse du vérin : Q = S × v. Une pompe hydraulique qui fournit 12 L/min à un vérin de 19,63 cm² de section le fait avancer à v = 12 000 cm³/min ÷ 19,63 cm² ≈ 611 cm/min, soit environ 0,10 m/s. Retenez la répartition des rôles : la pression fait la force, le débit fait la vitesse.

Vérin simple effet et vérin double effet

Le vérin est l'actionneur : il transforme l'énergie du fluide en mouvement rectiligne, grâce à un piston et à sa tige qui coulissent dans un tube.

Le vérin simple effet n'a qu'un seul orifice d'alimentation. Le fluide pousse le piston dans un sens, et un ressort, ou la charge elle-même, le ramène quand on met la chambre à l'échappement. Il consomme moins d'air, mais sa course reste courte et le ressort mange une partie de la force. On le trouve sur des fonctions de serrage ou d'éjection. Sans pression, il revient toujours dans la même position.

Le vérin double effet possède deux orifices, un par chambre. Le fluide le pousse dans les deux sens, selon la chambre que le distributeur alimente pendant que l'autre est mise à l'échappement. C'est le vérin le plus courant : l'effort est disponible à l'aller comme au retour. En revanche, sans pression, il reste où il est, ou descend sous le poids de la charge s'il est monté verticalement.

Deux accessoires intéressent directement l'électricien. Les réducteurs de débit, vissés sur les orifices du vérin, règlent la vitesse ; en pneumatique, on freine en général l'air qui sort de la chambre à l'échappement, ce qui donne un mouvement plus régulier. Les capteurs de position, fixés sur le corps, détectent un aimant porté par le piston et informent l'automate que la tige est rentrée ou sortie. Leur raccordement à une entrée d'automate est traité dans le cours sur les capteurs et détecteurs.

Distributeurs 3/2, 5/2 et 5/3 : désignation et commandes

Le distributeur est le préactionneur de la chaîne fluidique. Il joue pour le vérin le rôle que le contacteur joue pour le moteur : sur un ordre de faible puissance, il laisse passer ou coupe l'énergie. À l'intérieur, un tiroir coulisse et met en communication des orifices.

La désignation tient en deux chiffres séparés par une barre : nombre d'orifices / nombre de positions. Un distributeur 5/2 possède 5 orifices et 2 positions. Les orifices de pilotage ne sont pas comptés. Sur le symbole, chaque position est dessinée par une case carrée ; des flèches y montrent les passages ouverts, un petit T un orifice fermé. Les canalisations se raccordent sur la case de la position de repos.

Les orifices portent un repère chiffré : 1 pour l'arrivée de pression, 2 et 4 pour les sorties vers le vérin, 3 et 5 pour les échappements. Les pilotages sont notés 12 et 14 : le pilotage 14 met en communication 1 et 4, le pilotage 12 met en communication 1 et 2. En hydraulique, on emploie des lettres : P pour la pompe, T pour le retour au réservoir, A et B vers le vérin.

Reste la commande, dessinée de chaque côté du symbole. Elle peut être manuelle (bouton, levier, pédale), mécanique (galet poussé par une came), pneumatique (une pression de pilotage) ou électrique (une bobine). Le retour se fait par ressort ou par une seconde commande, et c'est ce détail qui change tout.

Un distributeur monostable a une commande d'un côté et un ressort de l'autre. Il n'a qu'une position stable : dès que l'ordre disparaît, le ressort le ramène au repos et le vérin revient. Un distributeur bistable a une commande de chaque côté et pas de ressort. Une impulsion suffit à le faire basculer, et il garde sa position tant qu'il ne reçoit pas l'ordre inverse : c'est une mémoire. En cas de coupure électrique, le vérin commandé par un bistable reste où il est. On choisit en se demandant ce que la machine doit faire quand le courant disparaît : une pince qui tient une pièce ne doit pas s'ouvrir.

Électrovannes : la partie qui revient à l'électricien

Un distributeur commandé par une bobine s'appelle un électrodistributeur ou, dans le langage de l'atelier, une électrovanne. La bobine est un électroaimant : alimentée, elle attire un noyau mobile. Sur les petits modèles, ce noyau déplace directement le clapet : c'est la commande directe. Sur les distributeurs plus gros, la bobine n'aurait pas la force de pousser le tiroir. Elle ouvre seulement un petit passage d'air, et c'est la pression du réseau qui déplace le tiroir : on parle de commande pilotée, ou assistée. Conséquence pratique : une électrovanne pilotée ne bascule pas si la pression d'air est absente ou trop faible, même quand sa bobine est correctement alimentée. La fiche du glossaire sur l'électrovanne en résume le principe.

Côté électrique, une bobine se caractérise par sa tension (24 V continu le plus souvent en automatisme, parfois 24 V ou 230 V alternatif) et sa puissance, de quelques watts. Le courant se calcule par I = P / U : une bobine de 4,8 W en 24 V continu absorbe 0,2 A. Avant de câbler, on vérifie que la sortie de l'automate supporte ce courant et que l'alimentation 24 V peut fournir la somme des courants des bobines alimentées en même temps.

Une bobine est une charge inductive. À la coupure, elle renvoie une surtension qui use les contacts d'un relais et peut détruire une sortie à transistor. En continu, on la protège par une diode de roue libre, souvent déjà intégrée au connecteur ou à la sortie de l'automate. Le connecteur porte fréquemment une LED qui s'allume quand la bobine est alimentée.

La plupart des électrovannes ont aussi une commande manuelle auxiliaire, un petit poussoir sur le corps qui déplace le tiroir sans électricité. La méthode de diagnostic en découle. Si le vérin bouge quand on actionne la commande manuelle, l'air et le distributeur sont bons, et la panne est électrique : on mesure la tension aux bornes de la bobine pendant que l'automate donne l'ordre. Si la tension est présente et que rien ne bouge, on contrôle la résistance de la bobine hors tension, puis la pression. Ces gestes se font sur une machine capable de bouger : personne ne doit se trouver dans la zone du vérin.

Dans l'autre sens, le fluide renseigne l'automate. Un pressostat ferme un contact quand la pression atteint un seuil réglé ; raccordé à une entrée, il interdit le démarrage du cycle tant que le réseau d'air n'est pas en pression.

Production et traitement de l'air comprimé

L'air comprimé se fabrique sur place. Un compresseur, entraîné par un moteur électrique, aspire l'air de l'atelier et le comprime dans un réservoir qui sert de tampon. Les machines travaillent le plus souvent autour de 6 bar, le réseau d'atelier étant maintenu un peu au-dessus. Notre article sur le compresseur d'air présente le matériel côté chantier.

L'air qui sort du compresseur est chaud, humide et chargé de poussières et de traces d'huile. En refroidissant dans les tuyaux, la vapeur d'eau se condense. De l'eau dans un distributeur, ce sont des tiroirs qui collent. On traite donc l'air en deux temps : à la sortie du compresseur, par un sécheur et des filtres ; à l'entrée de chaque machine, par une unité de conditionnement. La qualité de l'air se spécifie selon la norme ISO 8573-1, par trois classes qui portent sur les particules, l'eau et l'huile.

L'unité de conditionnement d'une machine comprend, dans l'ordre où l'air la traverse :

• une vanne de sectionnement cadenassable, qui coupe l'arrivée et met la machine à l'échappement ;
• un filtre, dont la cuve retient l'eau et les impuretés et se purge à la main ou automatiquement ;
• un régulateur de pression avec son manomètre, qui maintient la pression de la machine à la valeur réglée quelles que soient les variations du réseau ;
• parfois un lubrificateur, qui ajoute un brouillard d'huile ; beaucoup de composants actuels sont graissés à vie et s'en passent, la notice du constructeur tranche.

On ajoute souvent un démarreur progressif, qui remet la machine en pression lentement pour éviter que les vérins ne partent brutalement, et un pressostat.

L'hydraulique : groupe, limiteur de pression et distributeur

En hydraulique, le fluide est une huile. Contrairement à l'air, elle est pratiquement incompressible, ce qui change le comportement de l'installation : un vérin hydraulique s'arrête net là où on coupe le débit et tient sa position sous la charge, alors qu'un vérin pneumatique fait ressort.

L'énergie est produite au plus près de la machine par un groupe hydraulique. Un moteur électrique, presque toujours un moteur asynchrone triphasé, entraîne une pompe qui aspire l'huile dans un réservoir et la refoule dans le circuit. Un point surprend toujours les débutants : la pompe fournit un débit, pas une pression. La pression apparaît quand l'huile rencontre une résistance, la charge du vérin : plus elle est lourde, plus la pression monte.

Il faut donc une limite. Le limiteur de pression, placé juste après la pompe, s'ouvre quand la pression atteint sa valeur de réglage et renvoie l'huile au réservoir. C'est l'organe de sécurité du circuit : sans lui, un vérin arrivé en butée ferait monter la pression jusqu'à la rupture d'un flexible ou le calage du moteur.

Le reste du circuit ressemble à ce qu'on a vu : un filtre, un manomètre, un distributeur à 4 orifices (P, T, A, B), un vérin, et une canalisation de retour, car l'huile revient au réservoir au lieu de s'échapper dans l'atelier. Le distributeur 4/3 à centre fermé est très courant : au repos, il bloque le vérin en position. Certains circuits comportent un accumulateur, réserve d'huile maintenue sous pression par un gaz, qui restitue de l'énergie pompe arrêtée.

Lire un schéma pneumatique ou hydraulique normalisé

Les symboles des deux technologies sont définis par la norme ISO 1219-1, et la présentation des schémas de circuit par l'ISO 1219-2. Ils se lisent avec quelques conventions simples.

Le schéma se lit de bas en haut, dans le sens de l'énergie : en bas la source et le conditionnement, au milieu les distributeurs, en haut les vérins. Tout est dessiné au repos, machine en pression mais sans ordre de commande. Un triangle plein désigne l'hydraulique, un triangle vide le pneumatique. Un trait continu représente une canalisation de puissance, un trait interrompu une canalisation de pilotage.

Pour imaginer l'autre position d'un distributeur, on fait glisser mentalement la seconde case à la place de la première, sans déplacer les canalisations.

Chaque composant porte un repère qu'on retrouve dans la nomenclature et, pour les bobines et les capteurs, sur le schéma électrique : c'est lui qui permet de passer d'un dossier à l'autre. Dans beaucoup de dossiers français, la bobine d'une électrovanne est repérée YV suivi d'un numéro (YV1 sur notre schéma) ; ce n'est qu'un usage, d'autres dossiers emploient d'autres lettres, et seule la nomenclature de la machine fait foi.

Sécurité : énergie résiduelle et consignation

Devant un circuit sous pression, le réflexe doit être le même que devant un circuit sous tension, avec une difficulté de plus : couper l'électricité d'une machine ne supprime pas son énergie pneumatique ou hydraulique. Le réservoir reste plein, les tuyaux restent en pression, un distributeur bistable garde sa position, un vérin vertical continue de porter sa charge.

Le Code du travail traite ce point pour tous les équipements de travail. L'article R4324-19 demande que la séparation d'un équipement de ses sources d'énergie soit obtenue par des moyens adaptés, tels que les opérateurs qui interviennent dans les zones dangereuses puissent s'assurer de cette séparation. L'article R4324-20 ajoute que la dissipation des énergies accumulées doit pouvoir se faire aisément et sans danger, et que, lorsqu'elle est impossible, la présence de ces énergies doit être rendue non dangereuse.

La brochure ED 6109 de l'INRS décrit la consignation fluidique en quatre opérations. On sépare d'abord l'équipement de toute arrivée de fluide : fermeture de la vanne d'air, arrêt du groupe hydraulique. On dissipe ensuite, c'est-à-dire qu'on purge tout le fluide resté sous pression dans l'équipement. On condamne les organes de séparation en position fermée et les purges en position ouverte, par un cadenas personnel, avec une signalisation. On vérifie enfin l'absence de risque résiduel. Quand l'énergie ne peut pas être éliminée, une charge suspendue par exemple, on la retient par un calage mécanique.

L'ordre des opérations s'adapte à l'énergie et à l'analyse des risques, précise la brochure. Sur une machine réelle, on consigne toutes les énergies : électrique selon les règles du cours sur l'habilitation électrique et la consignation, puis pneumatique, hydraulique et mécanique.

Trois dangers propres aux fluides méritent d'être connus. Un flexible d'air qui se déboîte sous pression fouette violemment. Un jet d'huile hydraulique sorti d'une fuite fine peut traverser la peau : on ne cherche jamais une fuite avec la main, et une piqûre de ce type est une urgence médicale même si la plaie paraît bénigne. Enfin, à la remise en pression, un vérin dont une chambre est vide part à pleine vitesse.

Pour aller plus loin (BTS)

Puissance hydraulique et choix du moteur. La puissance transportée par un fluide vaut P = p × Q, avec p en pascals et Q en m³/s. En unités d'atelier, cela donne P (kW) = p (bar) × Q (L/min) / 600. Une pompe qui débite 30 L/min sous 150 bar fournit 150 × 30 / 600 = 7,5 kW. Le moteur électrique doit fournir davantage, car la pompe a un rendement : avec η = 0,85, il faut 7,5 / 0,85 ≈ 8,8 kW à l'arbre, et l'on retient la puissance normalisée immédiatement supérieure.

Consommation d'air d'un vérin. L'air est compressible : un litre d'air à 6 bar relatifs, soit 7 bar absolus, représente environ 7 litres d'air pris à la pression atmosphérique. La consommation d'un vérin, ramenée à l'air libre, vaut donc le volume balayé multiplié par le rapport des pressions absolues, (p + 1) / 1 avec p en bar relatifs. Multipliée par la cadence, elle donne le débit que le compresseur doit assurer. Une fuite ou une pression réglée trop haut se paient en kilowattheures au compresseur.

Sécurité des machines. Les exigences de conception des circuits sont données par les normes NF EN ISO 4414 pour le pneumatique et NF EN ISO 4413 pour l'hydraulique. Le comportement des distributeurs à l'arrêt d'urgence et à la coupure d'énergie (monostable ou bistable, centre fermé ou ouvert, clapets de maintien de charge) fait partie de la fonction de sécurité et se traite avec les notions du cours sur la sécurité des machines.

Les erreurs qui reviennent

La première est une erreur d'unités : multiplier des bars par des millimètres carrés. On convertit toujours avant de calculer, en pascals et mètres carrés ou en N/cm² et cm². La deuxième : oublier la tige, alors que la force de rentrée se calcule sur la section annulaire.

La troisième : confondre pression et débit. Un vérin trop lent ne se corrige pas en montant la pression, mais en cherchant ce qui étrangle le débit. La quatrième concerne le dépannage : accuser la bobine alors que la pression de pilotage manque, ou l'inverse.

La dernière est la plus grave : croire que l'arrêt d'urgence ou la coupure électrique suffit. Tant que le circuit n'est pas purgé et que la charge n'est pas calée, la machine peut encore bouger.

Exercices corrigés

Les six premiers exercices correspondent au niveau bac pro, les deux derniers au BTS. Cherchez avant d'ouvrir le corrigé. On prend g = 9,81 N/kg.

Exercice 1. Un vérin pneumatique d'alésage 50 mm est alimenté à 6 bar. Calculez sa section et sa force théorique en sortie de tige.

Exercice 2. Le même vérin a une tige de 20 mm de diamètre. Calculez sa force théorique en rentrée de tige, à 6 bar, et comparez avec l'exercice 1.

Exercice 3. Un vérin vertical doit soulever une masse de 80 kg. Le réseau est réglé à 6 bar et l'énoncé impose un taux de charge de 0,6. Choisissez l'alésage parmi 32, 40, 50, 63 et 80 mm.

Exercice 4. Sur une machine, une pince pneumatique à vérin double effet tient une pièce pendant l'usinage, et un éjecteur à vérin simple effet pousse la pièce finie. Quel distributeur proposez-vous pour chacun, et avec quelle commande, sachant que la pince ne doit pas s'ouvrir en cas de coupure électrique ?

Exercice 5. Une électrovanne porte l'indication 24 V continu, 4,8 W. Calculez le courant absorbé et la résistance de la bobine. La sortie à transistor de l'automate admet 0,5 A : convient-elle ? L'îlot comporte 8 électrovannes identiques qui peuvent être alimentées ensemble : quel courant l'alimentation 24 V doit-elle fournir pour elles ?

Exercice 6. Vous devez remplacer un capteur de position sur le vérin vertical d'une presse pneumatique. Le distributeur est un 5/3 à centre fermé. Décrivez les opérations de consignation, dans l'ordre, et le piège propre à ce distributeur.

Exercice 7 (BTS). Un vérin hydraulique d'alésage 80 mm travaille sous 160 bar et doit sortir à 0,05 m/s. Calculez la force développée, le débit nécessaire en L/min, la puissance hydraulique, puis la puissance du moteur si le rendement global de la pompe est de 0,85.

Exercice 8 (BTS). Le vérin des exercices 1 et 2 (alésage 50 mm, tige 20 mm) a une course de 200 mm et effectue 20 allers-retours par minute sous 6 bar. Calculez sa consommation d'air ramenée à la pression atmosphérique, prise égale à 1 bar.

Sources

• INRS, Consignations et déconsignations, brochure ED 6109 (consignation électrique, fluidique et mécanique).
• Légifrance, Code du travail, article R4324-19 (séparation des équipements de travail de leurs sources d'énergie).
• Légifrance, Code du travail, article R4324-20 (dissipation des énergies accumulées).
• Éduscol, Baccalauréat professionnel MELEC, référentiel (arrêté du 8 janvier 2024).

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