Servomechanismen
Elektrohydraulisch of elektromechanisch ?
Elektrohydraulische servomechanismen voeren
sinds lang talloze bewegingen bij werktuigmachines uit. Dank zij het verschijnen
van performante vermogenelektronica kunnen elektrische motoren heel precies
worden bestuurd. En zo komt het dat er meer en meer elektromechanische systemen
in de plaats van de hydraulische kwamen. Nochtans blijven de hydraulische hun
onmiskenbare voordelen behouden. Welke van de twee oplossingen het meest
geschikt lijkt en welke ontwikkeling er aan de gang is, belicht deze bijdrage.
Zij is gebaseerd op een voordracht die Michel BLOT, technisch directeur van
MOOG, recentelijk heeft gehouden.
version
française
Tot de jaren ’70 was het
merendeel van de numerisch gestuurde werktuigmachines uitgerust met
elektrohydraulische elementen. Daar is rond 1985 verandering in gekomen :
de aandrijving van de armen van industriële robotten werd sinds dat jaar meer
en meer door elektrische motortjes verzorgd.
De bewegingen van een simulatiecabine werd door elektrische motoren tot stand
gebracht, en dit ten nadele van de sinds lang beproefde hydraulische systemen.
Treinstellen werden tot op heden elektrohydraulisch opgehangen maar in
toekomstgerichte ontwerpen merkt men het toenemend gebruik van
elektromechanische technieken. Ook in de plasticindustrie en bij het besturen
van kleppen vindt eenzelfde evolutie plaats.
Het is duidelijk dat er verschillende factoren een rol spelen in de keuze tussen
elektrohydraulische of elektromechaninsche aandrijving. Zo moet men rekening
houden met de aard van de beweging, de prestaties, de beschikbare ruimte, de
productiekostprijs, het in bedrijfstellen, enz.
Geschiedenis
Om te begrijpen waarom de hydraulica zoveel jaar de plak zwaaide, moeten we
even in het verleden duiken. De Grieken beschikten al over een waterklok waarbij
het debiet door een vlotter gecontroleerd werd. In de Verlichting waren
verschillende geleerden bezig met hydraulische onderwerpen zoals het gedrag van
vloeistoffen en het elementair gebruik van stoom. Toch was het pas in de
Industriële Revolutie dat de stoommachine veralgemeend in gebruik kwam en in
zijn zog de verschillende onderdelen en technieken, zoals stoomdebietregelaars,
servomechanismen, enz. In het jaar 1868 bijvoorbeeld ontwierp de Fransman Farcot
een hydraulische besturing van scheepsroeren.
Op elektrisch gebied kan men de 19de eeuw gerust als revolutionair beschouwen.
De ontdekkingen van Oersted, Ampère en Faraday lagen aan de basis van
verschillende elektrische machines : Zénobe Gramme stelde in 1871 de
eerste industriële dynamo voor en Ferraris vond in 1887 de asynchrone motor
uit.
Men beschouwt de periode na 1945 als tweede industriële revolutie. De
ontwikkeling van de transistor ligt aan de basis van de informatica en later van
de zeer goed regelbare stromen en spanningen.
Binnen één generatie is de elektronica in staat geweest om in zowat alle
techniekvelden verfijning te brengen.
Keuze van de klant
Welk systeem zal de ontwerpingenieur kiezen ? Het antwoord op deze
vraag hangt niet alleen van objectieve factoren af. Opleiding, ervaring,
gewoonte en bedrijfscultuur spelen hierbij een niet te verwaarlozen rol.
Anderzijds moet men rekening houden met de omstandigheden van de toepassing
zelf : is de installatie vast of beweegbaar, in welke mate is er vermogen
ter beschikking, moet men met al of geen strenge omgevingsfactoren rekening
houden, enzovoort.
Het probleem stelt zich vooral in het vermogengebied tussen 3 kW en 10 kW. We
nemen twee voorbeelden : een toestel voor vermoeidheidstests wordt het best
uitgerust met elektrohydraulische elementen : we hebben immers te maken met
hoge frequenties en grote krachten. Statische testapparatuur , bijvoorbeeld voor
kruiptests, bestaat bij voorkeur uit elektromechanische onderdelen. Tenslotte
zal iedereen het erover eens zijn dat de metaalindustrie vooral
elektrohydraulisch werkt.
Aard van de bewegingen
Al naargelang de beweging lineair of roterend is, maakt men gebruik van een
reductor, worm en wormwiel, kruk-drijfstangmechanisme, enz. Lineaire bewegingen
zijn het best bediend met een elektrohydraulische besturing, terwijl een
elektrische motor steeds een of ander mechanisme vergt. Ter vergelijking volgend
voorbeeld : een hydraulische zuiger met een boring van 40 mm en een stang
van 22 mm kan een kracht van 2000 daN leveren onder een druk van 230 bar. Om een
gelijkaardige last te verzetten zou een elektromechanisch systeem een
schroefdiameter van 30 mm en een moer van 55 mm moeten hebben, wat
onherroepelijk leidt tot grotere volumes.
Kostprijs
Constructeurs beschouwen de verkoopprijs als de kostprijs. Gebruikers
daarentegen houden met veel meer factoren rekening : enerzijds is er de
aanschaffing en anderzijds het onderhoud van de machine.
Een hydraulisch systeem vereist een drukgenerator die in het hele systeem veel
afnemers kan bedienen. De montage en het onderhoud van een hydraulisch systeem
vergt gekwalificeerd personeel om de verschillende werkzaamheden –zoals
verbindingen en het leggen van leidingen- tot een goed eind te brengen. De
elektrische tegenhanger is met eenvoudige stekkerverbindingen uitgerust.
De kostprijs is ook afhankelijk van de toepassing en het geïnstalleerd
vermogen. De energiebalans is niet zeer gunstig voor een hydraulisch systeem. Om
de diverse inwendige verliezen te compenseren is er een constant verbruik aan
energie. Men heeft de vergelijking gemaakt bij een plastic-persmachine : in
het geval van elektrische aandrijving lag het energieverbruik 50% lager. De
bewegingen van de cabine van een machine in een attractiepark vergden in het
hydraulische geval een vermogen van 26,7 kW terwijl de elektrische aandrijving
genoegen neemt met 3,7 kW. De laatste oplossing was ongeveer 140000 BEF per jaar
gunstiger in exploitatie !
Nochtans ligt het voor de hand dat installaties van groot vermogen kunnen
uitgerust worden met een relatief eenvoudig hydraulisch systeem, daar waar de
elektrische variant dan moet beroep doen op hoog vermogenelektronica.
In de praktijk is het zo dat bij vermogens die lager zijn dan 5 kW, de
elektromechanica aangewezen is en bij vermogens groter dan 10 kW de
elektrohydraulica beter is. Alles hangt af van de aard van de toepassing.
Werking
Het maximaal koppel bij hydraulische systemen komt overeen met het nominaaal
koppel. In het geval van een borstelloze gelijkstroommotor kunnen we twee
werkingsregimes onderscheiden : ten eerste de continue werking en ten
tweede een (intense) actie gedurende een zeer korte periode, bijvoorbeeld enkele
milliseconden. Gedurende zo een korte tijdspanne kan het koppel tot 10 maal het
nominaal koppel opgevoerd worden ; de enige beperking bestaat in de
opwarming van de lagers. Deze laatste werkwijze laat toe dat de dimensies van de
motor veel kleiner kunnen gekozen worden.
Een hydraulische zuiger kan zonder gevaar gedurende lange tijd onder maximale
druk in een bepaalde positie gehouden worden. Dit is niet het geval voor het
elektromechanisch element, dat al snel zal gaan lijden onder de opwarming van de
lagers. Bovendien zijn transistoren niet geschikt om een dergelijke positie
langere tijd in stand te houden.
Omvang
Op bijgaande figuur zien we welke volumes vergelijkbare elektrohydraulische
(EHA) en elektromechanische (EMA) systemen innemen, wanneer ze dezelfde kracht
moeten leveren. We zien dat de hydraulische versie minder plaats inneemt. Bij
een vaste installatie is het evenwel van belang dat men alle betrokken elementen
in rekening brengt. We denken hierbij aan de sturingselektronica, de
hydraulische generator, enz. Voor de vaste opstellingen heeft het
elektromechanisch systeem hier een voordeel omdat er slechts een verbinding met
het net nodig is. Een mobiel EMA-systeem daarentegen omvat onder meer een
alternator en een batterij, zodat het verschil dan nog meer uitgesproken is.
Naast de criteria « massa » en « volume » moeten we ook
overwegen welk systeem het gemakkelijkst geïntegreerd wordt. Denken we
bijvoorbeeld aan het draaistel van een HST, waarop de controle van de
carrosseriehelling is ondergebracht. Hier is weinig plaats ter beschikking.
Omgeving
Het spreekt voor zich dat de elektrohydraulica in een omgeving met
explosiegevaar de beste keuze is. De sturing van de kleppen heeft maar enkele
tienden van een Watt nodig. Bovendien kan opgewekte warmte via het fluïdum
afgevoerd worden.
Er zijn veel toepassingen die niet het minste olielek toestaan. De vraag kan
gesteld worden of een perfect dicht hydraulisch circuit wel mogelijk is.
Op het gebied van de geluidsoverlast zijn elektromechanische systemen eveneens
minder hinderlijk. Maar trillingen en schokken kunnen door een hydraulisch
systeem beter verwerkt worden.
Prestaties
Op het gebied van precisie en herhaalbaarheid zijn beide systemen
evenwaardig. Toch is het zo dat een bewegingsomzetter zoals een moer en
schroefdraad na verloop van tijd enige speling kan krijgen. Hydraulische
systemen kunnen hogere acceleraties aan en ze presteren op dynamisch vlak beter.
Weerom is het de aard van de toepassing die de doorslag zal geven.
Beschikbaarheid
De beschikbaarheid van een systeem hangt in de eerste plaats af van het
aantal onderbrekingen. Maar de snelheid en het gemak waarmee deze kunnen
verholpen worden is eveneens van groot belang. In dit kader heeft de kwaliteit
van de middelen een doorslaggevende betekenis. We denken hierbij aan de
opleiding van personeel, de gereedschappen, de stock, enz. Al deze factoren
dragen bij tot een zo kort mogelijke onderbrekingstijd. De verantwoordelijkheid
voor een optimaal functioneren liggen zowel bij de constructeur als bij de
gebruiker. De verhouding tussen onderhoudstijd en werkuingstijd bepaalt in grote
mate de variabele kostprijs.
Het veelvuldig gebruik van hydraulica in de luchtvaartindustrie getuigt van een
zekere graad van betrouwbaarheid. Belangrijk is de zuiverheid van de olie. Bij
het in dienst stellen en bij elk onderhoud moet het fluïdum gefilterd worden.
Ook moet de kwaliteit van de olie door laboratoriumanalyses gecontroleerd
worden. Over het algemeen vereist een ingreep in het hydraulisch circuit een
aftappen van de olie. Dit gebeurt bij het vervangen van onderdelen, het losmaken
van een verbinding, enz. Men stelt hierbij terloops vast dat
« elektrische » onderhoudsmensen doorgaans beter opgeleid zijn dan
de « hydraulische »…
De elektrische aandrijvingen op hun beurt
vergen beduidend minder onderhoud. Naar de borstelloze motor en zijn
elektronische sturing moet men nauwelijks omzien, maar het zwakke punt situeert
zich rond de mechanische transmissie. Gelukkig zijn er geen speciale
gereedschappen of maatregelen nodig om deze onderdelen te demonteren.
Confrontatie
Het hydraulisch systeem heeft een generator nodig en een heel netwerk
buisjes en verbindingen. Daarentegen is de zuiger zelf compact omdat er relatief
veel vermogen per volume-eenheid wordt omgezet.
Bij een elektrische aandrijving kan men in een zelfde volume minder vermogen
leveren.en bemoeilijkt de noodzakelijke transmissie een vlotte montage. Ook zijn
de veiligheidsmaatregelen soms complex en delicaat. Maar het preventief
onderhoud is dan weer beperkt en gebeurlijke werkzaamheden kunnen gemakkelijk
uitgevoerd worden.
Synthese
Ideaal is het samenbrengen van de voordelen van beide systemen. Momenteel
zijn er proeven aan de gang met een elektro-hydrostatische actuator. We
beschrijven in het kort deze opstelling die veelbelovend is.
Een elektrische borstelloze snelroterende motor drijft een microcilinderpomp
aan. Deze pomp kan in beide richtingen draaien. De pomp drijft een vijzel aan
waarvan de verplaatsingssnelheid evenredig is met het toerental van de motor.
Een positiesensor geeft een signaal dat vergeleken wordt met een ingestelde
waarde : een eventueel waardeverschil wordt naar de motorregelaar geleid en
deze stuurt een aangepaste stroom naar de motor.
Een accumulator vangt volumevariaties van het fluïdum op en de bypass
garandeert een veilig verloop.
Op dit schema is het voordeel van de elektrische eenvoud gecombineerd met het
grote hydraulisch vermogen. Er zijn geen mechanische reductie aanwezig, de
nieuwe opstelling neemt weinig plaats in en is bestand tegen schokken en
trillingen. Bovendien valt de energiebalans zeer gunstig uit.
Besluit
De grote vraag die in dit artikel wordt gesteld, elektrohydraulica of
elektromechanica, blijft open. Er bestaan geen absolute regels omdat er teveel
verschillende parameters een rol spelen. Hoewel, onder de 2 kW blijkt de
elektromechanische oplossing voldoening te geven en boven 15 kW lijkt de
elektrohydraulica de meest aangewezen partner. Tussen de twee vermogens in hangt
de keuze af van de omstandigheden van de toepassing.
Herman Paternoster
(Dit artikel is gebaseerd op
een voordracht die ingenieur Michel BLOT, technisch directeur van MOOG Sarl
France in april 98 op het salon MECANELEM 98 heeft gegeven).
Servomécanismes
Electrohydrauliques ou électromécaniques?
Les servomécanismes
électrohy-drauliques comportant des servovalves et les servocommandes
électromécaniques basées sur l’utilisation de moteurs électriques sans
balais permettent la réalisation de mécanismes de plus en plus performants.
Jusque vers les années 1970, la
majorité des machines outils à commande numérique était équipée d’actionneurs
électrohydrauliques, aujourd’hui plus aucunes ne le sont; depuis les années
1985, la motorisation des axes de robots industriels est électrique alors que
la période de croissance des investissements en robotique a fait les beaux
jours des fabricants de composants hydrauliques; on décèle aussi une tendance
à une motorisation électrique des mouvements de cabines des simulateurs, jusqu’alors
motorisés hydrauliquement; dans le domaine des transports ferroviaires, la
pendulation électrohydraulique des rames est contestée au profit d’une
technologie électromécanique pour les projets futurs; enfin, d’autres
domaines d’activité reconsidèrent l’habituelle technologie
électrohydraulique en vue d’un remplacement par des actionneurs
électromécaniques: machine de transformation des matières plastiques,
commande de vannage... Les ingénieurs d’études et les projeteurs chargés de
la conception d’une machine sont alors confrontés à des choix technologiques
pour la motorisation des mouvements d’entraînement d’une charge. Comment
est fait ce choix ?
Une comparaison des deux technologies appliquées à la conception de
mécanismes devant transmettre une puissance identique s’impose et doit
permettre de dégager des critères de sélection: nature des mouvements,
facteur de marche, performances, encombrement, coûts de réalisation et de mise
en œuvre, maintenance... Si l’électrique est la meilleure solution, pourquoi
alors chacune de ces applications a démarré sur la base d’une technologie
hydraulique ?
Critères de sélection
Choix du client et application: Bien
que subjectif, c’est un critère important. La préférence de chacun d’entre
nous en fonction de sa formation, de son expérience, des habitudes et de l’existant
au sein d’une société doit être prise en compte. Un autre critère est l’application
elle même, particulièrement pour la gamme des puissances allant de 3 à 10 kW.
Le choix technologique sera différent selon que l’installation est fixe ou
mobile, que la puissance installée est limitée ou non, que les conditions d’environnement
sont sévères ou non... Le bon sens l’emporte souvent, c’est le cas des
applications de machines d’essais de fatigue où l’application d’efforts
importants à des fréquences élevées est réalisée par des systèmes
électrohydrauliques alors qu’une machine d’essais statiques (fluage par
exemple) sera judicieusement motorisée électriquement.
Dans la sidérurgie, où les puissances installées sont considérables et où l’énergie
fluide est disponible pour d’autres servitudes, la présence d’asservissements
électrohydrauliques s’impose.
Nature des mouvements:
selon la nature du mouvement, linéaire ou rotatif, il peut être nécessaire de
disposer d’un convertisseur de mouvement: réducteur, système vis écrou,
bielle manivelle... Ce convertisseur de mouvement implique quelques contraintes,
limitation des jeux, encombrement, complexité, fiabilité...
Pour des mouvements linéaires, la commande électrohydraulique ne nécessite
pas, en général, de convertisseur de mouvement; l’utilisation d’un moteur
électrique rotatif impose une transformation du mouvement à l’aide d’une
vis à bille ou à rouleau. Le moteur peut entraîner la vis ou l’écrou, en
direct ou par l’intermédiaire d’un train d’engrenages. En ne considérant
que l’actionneur, un servovérin électrohydraulique est toujours moins
encombrant qu’un servovérin électromécanique. A titre de comparaison, un
vérin hydraulique de diamètre d’alésage 40 mm et de diamètre de tige 22 mm
peut développer un effort de 2000 daN sous une pression différentielle de 230
bar; pour transmettre un effort identique, un vérin électromécanique devrait
être équipé d’une vis de diamètre 30 mm et d’un écrou d’un diamètre
de 55 mm, ce qui conduit inévitablement à une augmentation du volume de l’actionneur.
Coûts:
sujet sensible, de quels coûts parle t-on ? Pour le constructeur d’une
machine, c’est avant tout le prix de vente qui est considéré donc le prix d’achat
des constituants de la machine. L’utilisateur est concerné par le coût
global intégrant le coût d’acquisition et les coûts d’exploitation. En
théorie, les deux points de vue sont liés puisque c’est la satisfaction des
exigences du clients qui permet d’emporter ou non un marché; l’expérience
prouve bien souvent que ce n’est pas toujours le cas. Une installation
hydraulique nécessite une génération hydraulique qui est commune pour la
commande des différents actionneurs et des servitudes, le prix d’achat n’est
pas forcément proportionnel au nombre d’actionneur. Le montage et l’entretien
d’un circuit hydraulique requiert une main d’oeuvre qualifiée pour
effectuer des travaux manuels (tuyautage, raccordements...). Par comparaison,
des axes électriques ne requièrent qu’un branchement de connecteurs
électriques. Les coûts sont aussi fonction de l’application et de la
puissance installée. Le bilan énergétique n’est pas favorable pour une
installation hydraulique; il y a toujours une consommation permanente même
lorsque la charge est immobile afin de compenser les diverses fuites internes du
système, à titre d’exemples, citons le cas de machines d’injection des
matières plastiques, où une réduction de la consommation électrique de 50% a
été enregistrée et les mouvements de cabine d’un simulateur de parc d’attraction
où les "pertes" de puissance chiffrées à 26,7 kW en hydraulique
sont ramenées à une valeur de 3,7 kW pour une motorisation électrique, soit
une économie d’exploitation d’environ 23 000 FF par an. Dans le cas de
puissances importantes , la mise en oeuvre de l’asservissement
électrohydraulique est cependant très simple, alors qu’un système
électromécanique exige un choix de composants électroniques de hautes
puissances et des conditions de réalisation qui peuvent augmenter les prix de l’installation.
Facteur de marche, cycles de fonctionnement: la caractéristique couple-vitesse
(ou force-vitesse) d’un actionneur électrohydraulique présente un couple
maximum qui correspond au couple nominal. Pour un moteur électrique sans
balais, on distingue deux régimes de fonctionnement: un régime permanent et un
régime intermittent pouvant être atteint pendant une durée de quelques
dizaines de millisecondes, la limite étant donnée par l’échauffement des
enroulements; ce couple est de 5 à 10 fois la valeur du couple nominal, ce qui
permet dans bon nombre d’applications une réduction sensible de la masse et
de l’encombrement de l’actionneur. Une charge manoeuvrée par un vérin
hydraulique peut être maintenue indéfiniment sans danger sur butée avec une
application de la pression maximum, c’est uniquement un problème de
dimensionnement lié à la résistance des matériaux. Il n’en est pas de
même pour un actionneur électromécanique, l’échauffement dans les
enroulements et les transistors de commutation interdisent ce cas de figure, et
des précautions doivent être prises pour éviter un endommagement du
mécanisme ( amortissement, fins de course électriques...).
Encombrement et masse:
les volumes occupés par des actionneurs électrohydrauliques et
électromécaniques devant développer des efforts équivalents. L’encombrement
d’un actionneur électrohydraulique est généralement plus faible que celui d’un
servomoteur électromécanique. Encore faut-il s’entendre sur les éléments
à prendre en considération pour définir l’encombrement général :
actionneur, électronique de commande et de puissance, génération de
puissance. Pour une installation fixe, le volume occupé par la génération
hydraulique paraît pénalisant puisque la technologie électromécanique n’impose
qu’un raccordement au réseau. Pour une installation mobile, il faut comparer
la taille et la masse des différents composants du système: accumulateur,
batterie, pompe, alternateur... Indépendamment des masses et volumes, on peut
examiner dans cette rubrique le critère de "logeabilité". Par
logeabilité, nous entendons le volume disponible au sein de la machine pour
intégrer les différents éléments constitutifs du système.
Dans le domaine des trains pendulaires par exemple, l’espace disponible pour
loger des actionneurs de contrôle d’inclinaison de caisse à l’intérieur d’un
boggie de TGV est limité. La transmission de la puissance par le fluide dans le
cas d’une solution électrohydraulique permet de séparer les actionneurs du
bloc de distribution et de la génération de puissance (bien évidemment, le
volume soumis à compressibilité étant augmenté, il peut y avoir des
limitations de performances). Le choix en électromécanique portera sur la
technologie de l’actionneur: moteur en ligne entraînant une vis, moteur
entraînant la vis par l’intermédiaire d’un réducteur, moteur entraînant
directement la charge... Tout est affaire de compromis, seules les études d’avant
projet permettront de définir la meilleure (ou la moins mauvaise !) des
solutions.
Conditions d’environnement: la nature de l’application peut conduire au
choix d’une technologie plutôt qu’à une autre. Citons quelques exemples:
- Fonctionnement en atmosphère explosive: le faible niveau de puissance de
commande d’une servovalve (quelques dixième de Watt) autorise la réalisation
facile et peu coûteuse d’actionneurs de sécurité intrinsèque.
- Une servocommande électrohydraulique ne génère pas d’interférences
électromagnétiques.
- Le fluide s’échauffe... un moteur électrique aussi ! Pour un système
hydraulique, le fluide permet par contre une évacuation des calories.
- La conception de système de sécurité et de redondance est plus facile à
réaliser avec des systèmes électrohydrauliques.
- L’hydraulique... c’est sale !!! Combien de fois ce reproche est-il
formulé ? Existe-t-il des circuits hydrauliques parfaitement étanches ? De
nombreuses applications ne tolèrent aucune présence d’huile en si petite
quantité que ce soit, l’électromécanique est alors la solution. Il est
toutefois dommage de constater que les fuites externes posent toujours problème
à l’heure où les système hydrauliques sont pilotés par ordinateur !
- Le niveau sonore est un critère sélectif. Un moteur hydraulique et sa
génération sont généralement plus bruyants qu’une installation
électromécanique.
- Une servocommande électrohydraulique possède une plus grande capacité à
résister aux chocs, vibrations et accélérations qu’une commande
électromécanique.
Performances: les performances statiques en terme de répétabilité et
précision peuvent être considérées comme étant identiques en fonction des
réseaux correcteurs utilisés. Notons toutefois que l’utilisation d’un
convertisseur de mouvement tels que vis à bille et réducteur est susceptible d’introduire
des imprécisions dues aux jeux fonctionnels et à des élasticités parasites.
Les systèmes hydrauliques présentent certainement de plus fortes capacités d’accélération
autorisant ainsi de meilleures performances dynamiques.
C’est avant tout la nature de l’application qui orientera le choix d’une
technologie par rapport à l’autre (cas des machines d’essai par exemple).
Maintenabilité - Disponibilité – Fiabilité: Par définition, un matériel
disponible est un matériel dont on peut se servir ! La disponibilité dépend
à la fois du nombre de défaillances, donc de la fiabilité du système, de la
rapidité avec laquelle ces défaillances sont réparées, donc de la
maintenabilité et de la logistique de maintenance à savoir les règles d’entretien
et la qualité des moyens mis en oeuvre pour assurer la maintenance (outillage,
personnel, stock...). Il y a donc des interactions entre ces différents
paramètres et un partage des responsabilités entre le constructeur et l’utilisateur.
Pour l’utilisateur, la disponibilité, qui est le rapport entre le temps d’aptitude
au service par le temps total d’utilisation, est certainement le critère
prépondérant puisqu’à performances égales il a une incidence primordiale
sur les coûts.
Si la fiabilité des transmissions hydrauliques est attestée par leur
utilisation quotidienne dans le domaine de l’aéronautique, il faut
reconnaître que le point faible est la maintenabilité dû principalement à:
- Un maintien du degré de propreté du fluide nécessitant des rinçages du
circuit à la mise en service et après toute intervention importante sur le
circuit.
- Un suivi constant et coûteux par analyse en laboratoire du niveau de
pollution du fluide.
- Des interventions rendant peu agréable la maintenance des circuits
hydrauliques (dépose des composants, raccordements hydrauliques, fuites
externes...).
- Un manque certain de formation des personnels de maintenance qui à l’opposé,
possèdent généralement une bonne formation d’électromécanicien.
La fiabilité des moteurs électriques est élevée et l’utilisation
généralisée des moteurs sans balais a éliminé les opérations de
maintenance. Le point faible reste au niveau de la conversion des mouvements
(durée de vie de la vis à bille) et pour certaines applications la complexité
des architectures de redondance pour obtenir une fiabilité spécifiée.
Par contre, les opérations de maintenance sont facilitées et la dépose des
équipements ne nécessite pas des outillages spécifiques ou des précautions
particulières.
Dans beaucoup d’entreprises, la maintenance est répartie dans deux grandes
divisions: un groupe mécanique et un groupe électrique. De par leur formation,
les personnels de ces groupes ont des compétences plus ou moins fortes. Les
machines modernes exigent des compétences pluridisciplinaires, il faut alors
remarquer que la maintenance de servomécanismes électromécaniques peut être
assurée sous une responsabilité unique.
L’Actionneur Electro
Hydrostatique (EHA)
Le but de cet article n’est pas d’opposer les "hydrauliciens"
aux "électriciens" mais d’essayer de dégager des critères
objectifs permettant la sélection d’une technologie la mieux appropriée à
la réalisation d’une application donnée. L’hydraulique nécessite une
génération de puissance, des tuyauteries et des raccordements qui pénalisent
la maintenabilité. Par contre la puissance massique permet de réduire le
volume occupé par l’actionneur.
L’électrique impose généralement une conversion du mouvement et sa
puissance massique réduite pénalise la logeabilité de l’équipement, la
réalisation de modes de sécurité est complexe et délicate. La dépose d’un
équipement lors d’une maintenance est aisée puisqu’il ne s’agit que d’intervenir
sur des connexions électriques, et la maintenance préventive est limitée. Les
avantages des deux technologies sont exploités dans la réalisation de l’Actionneur
Electro Hydrostatique qui fait actuellement l’objet d’essai dans le domaine
des commandes de vol (figure 9). Un moteur électrique sans balais pouvant avoir
des vitesses de rotations très élevées entraîne une micro pompe à
cylindrée fixe pouvant tourner dans les deux sens. La pompe alimente un vérin
dont la vitesse de déplacement est donc proportionnelle à la vitesse de
rotation du moteur électrique. Le signal issu du capteur de position est
comparé à une valeur de consigne, l’écart qui en résulte pilote le
variateur qui alimente les enroulements du moteur bruhless. Un accumulateur
compense les variations de volume du fluide dues à la compressibilité et aux
variations de température. Une valve de bypass assure le mode de repli en
position sécurité de l’actionneur en cas de défaillance. On retrouve sur un
tel équipement les avantages de simplicité de la commande électrique alliés
à la puissance massique de l’hydraulique. L’absence de vis à bille ou de
réducteur contribue à la réduction de l’encombrement et de la masse et
améliore la fiabilité par une meilleure tolérance aux chocs et vibrations. Le
bilan énergétique est amélioré considérablement puisque d’une part le
moteur est dimensionné pour son cycle d’utilisation et non pour les pics de
puissance et, d’autre part, que l’absence de servovalve limite au minimum le
débit de fuite interne.
Conclusion
Alors ! Electrohydraulique ou électromécanique ? La question reste posée,
il n’y a pas de règles absolues, l’examen de chacun des critères doit
être fait d’une manière objective. Néanmoins, la puissance à transmettre
est un des premiers facteurs de choix. Au dessous de 2 kW, il semble logique de
préférer la solution électromécanique, au delà de 15 kW le choix
électrohydraulique est justifié. Entre les deux, c’est souvent une question
de convictions ou de circonstances dictées par l’application.
Michel Blot, Directeur Technique - MOOG
Sarl
