Efficacité globale

En hydraulique, le rendement global désigne le rapport entre la puissance utile délivrée et la puissance fournie à un composant hydraulique ou à un système dans son ensemble. Il prend en compte l’ensemble des pertes d’énergie et indique le niveau d’efficacité d’une pompe hydraulique, d’un moteur hydraulique ou d’une installation. Un rendement global élevé signifie une perte de puissance moindre et une consommation d’énergie réduite.

Composition du rendement global

Le rendement global d’une machine hydraulique est le produit du rendement volumétrique et du rendement hydromécanique. Ces deux rendements partiels prennent en compte différents mécanismes de perte qui se produisent dans toute machine à déplacement positif. Ce n’est que lorsque ces deux rendements partiels sont élevés que le rendement global atteint des valeurs satisfaisantes.

Rendement volumétrique

Le rendement volumétrique décrit le rapport entre le débit volumique effectivement refoulé ou aspiré et le débit volumique théoriquement possible. La différence résulte de fuites internes qui s’écoulent de la zone haute pression vers la zone basse pression ou vers l’extérieur. Les géométries des fentes au niveau des pistons, des disques de commande et des surfaces d’étanchéité constituent les principales voies de fuite. Un rendement volumétrique de 90 % signifie que 10 % du débit volumique théorique est perdu sous forme de fuite.

Les pertes par fuite dépendent fortement de la viscosité de l’huile hydraulique. Lorsque la viscosité est faible, par exemple en raison de températures de fonctionnement élevées, les flux de fuite augmentent et le rendement volumétrique diminue. À l’inverse, une viscosité plus élevée réduit les fuites, mais augmente en même temps les pertes par frottement, ce qui nuit au rendement hydromécanique. Ce conflit d’objectifs fait du choix de l’huile appropriée et de la température de fonctionnement un aspect central de l’optimisation de l’efficacité.

Rendement hydromécanique

Le rendement hydromécanique prend en compte toutes les pertes dues au frottement à l’intérieur de la machine. Cela inclut le frottement des solides au niveau des paliers et des joints, le frottement des fluides dans les interstices ainsi que les pertes de charge au niveau des transitions et des rainures de commande. La puissance à course nulle, que la pompe doit fournir même en fonctionnement sans pression, fait également partie des pertes hydromécaniques.

Lorsque la pression augmente, le rendement hydromécanique augmente d’abord, car la puissance utile croît proportionnellement aux pertes par frottement. À des pressions très basses, par exemple inférieures à 10 bars, le frottement domine le bilan de puissance et le rendement hydromécanique chute nettement. Cet effet explique pourquoi les pompes hydrauliques présentent souvent des rendements globaux nettement inférieurs en fonctionnement à charge partielle qu’en fonctionnement nominal.

Rendements globaux typiques des composants hydrauliques

Les rendements globaux atteignables varient considérablement d’un type de construction à l’autre. Les concepteurs doivent tenir compte de ces différences lors du choix des pompes et des moteurs, car elles ont une influence directe sur la consommation d’énergie et le dégagement de chaleur de l’installation.

Rendements globaux des pompes hydrauliques

Les pompes à pistons axiaux atteignent les rendements globaux les plus élevés, car la géométrie de leur surface de commande limite à la fois les fuites et les pertes par frottement. Au point de fonctionnement optimal, à des pressions comprises entre 200 et 280 bars et à des vitesses de rotation comprises entre 1 500 et 1 800 tr/min, les valeurs dépassent 90 %. Les pompes à engrenages présentent des rendements plus faibles en raison de leurs surfaces de fente relativement importantes et de l’absence de possibilité de réglage. Leur atout réside davantage dans leur robustesse et leur faible coût que dans leur efficacité.

Rendements globaux des moteurs hydrauliques

À conception comparable, les moteurs hydrauliques atteignent souvent des rendements globaux légèrement supérieurs à ceux des pompes. Cela s’explique par le fait que les moteurs n’ont pas à fournir un effort de refoulement actif contre une résistance à la pression, mais transforment la pression en mouvement rotatif. Les mécanismes de perte sont similaires, mais leur importance relative varie: chez les moteurs, les pertes de charge au niveau des canaux d’admission pèsent moins lourd que les pertes de refoulement chez les pompes.

Facteurs influençant le rendement global

Le rendement global n’est pas un indicateur fixe, mais dépend fortement des conditions de fonctionnement. Un même moteur à pistons axiaux peut présenter des rendements compris entre 60 et 94 % selon le point de fonctionnement. Quiconque conçoit ou exploite des installations doit connaître ces dépendances afin de faire fonctionner les composants dans la plage de fonctionnement la plus efficace.

Pression et vitesse de rotation

La pression du système influence le rendement global via les deux rendements partiels. Lorsque la pression augmente, les débits de fuite augmentent, ce qui réduit le rendement volumétrique. Dans le même temps, le rendement hydromécanique augmente, car les pertes par frottement diminuent par rapport à la puissance transmise. Au total, pour la plupart des pompes et des moteurs, le rendement maximal est atteint dans la plage de pression nominale. En dessous de 10 bars, le rendement global chute considérablement.

La vitesse de rotation influe également sur ces deux rendements partiels, mais dans des sens opposés. Des vitesses de rotation plus élevées améliorent le rendement volumétrique, car les fuites par tour restent constantes tandis que le débit volumétrique augmente. Dans le même temps, les pertes par frottement augmentent, en particulier le frottement du fluide dans les interstices. Ici aussi, il existe une plage de vitesse optimale qui varie en fonction de la taille et du type de construction.

Viscosité et température

La viscosité de l’huile hydraulique est l’un des facteurs qui influencent le plus le rendement global. C’est lorsque la viscosité est optimale, c’est-à-dire comprise entre 30 et 50 mm²/s pour la plupart des applications industrielles, que les pompes et les moteurs atteignent leurs meilleures performances. Si la viscosité s’écarte de cette plage, l’un des deux rendements partiels se détériore inévitablement.

Les températures de fonctionnement élevées réduisent la viscosité et augmentent les fuites, tandis que les températures basses font augmenter la viscosité et renforcent le frottement. Une alimentation en huile thermorégulée, qui maintient l’huile hydraulique dans la plage de viscosité optimale, améliore durablement le rendement global. Dans la pratique, les installations équipées d’un système de régulation de la température de l’huile atteignent souvent des rendements supérieurs de plusieurs points de pourcentage à ceux des systèmes non tempérés.

Fonctionnement à charge partielle

En fonctionnement à charge partielle, c’est-à-dire avec un débit ou une vitesse de rotation réduits, le rendement global diminue considérablement sur presque tous les types de construction. Les pompes à débit variable, qui réduisent leur volume de refoulement à une petite fraction, fonctionnent avec des pertes par fuite relatives fortement accrues. La puissance à course nulle devient également un facteur important en cas de faible réglage. Pour les moteurs à axe oblique qui descendent à moins de 30 % de leur réglage maximal, le rendement global peut chuter de 10 à 20 points de pourcentage en dessous de la valeur nominale.

Ce phénomène est particulièrement pertinent pour les applications présentant des besoins en puissance très variables. Dans ce cas, les systèmes à plusieurs pompes ou les régulations en fonction de la charge offrent des avantages, car ils permettent de maintenir les pompes actives en permanence dans une plage de fonctionnement favorable au rendement.

Mesure et normalisation du rendement global

La norme de référence pour la mesure du rendement des machines hydrauliques à déplacement positif est la norme ISO 4409. Elle définit les méthodes d’essai pour les pompes, moteurs et réducteurs compacts hydrauliques, y compris la configuration du banc d’essai, le placement des capteurs et le déroulement de l’essai. La précision de mesure est classée en différentes catégories, la classe B étant couramment utilisée pour la plupart des applications industrielles.

Sur un banc d’essai conforme à la norme ISO 4409, la pression, le couple et le débit volumétrique sont enregistrés simultanément. Ces grandeurs de mesure permettent de déterminer à la fois le rendement volumétrique et le rendement hydromécanique, et d’en déduire le rendement global. La norme garantit la comparabilité des résultats entre les différents fabricants.

La norme DIN EN ISO 4413 régit en revanche les exigences techniques de sécurité applicables aux installations hydrauliques et ne contient aucune prescription directe concernant la mesure du rendement. Elle est néanmoins pertinente pour les exploitants d’installations, car elle impose des exigences de conception qui influencent indirectement l’efficacité, comme la prescription selon laquelle les installations doivent être conçues de manière à ne pas générer de chaleur inutile.

Importance du rendement global pour la conception de l’installation

Le rendement global a des conséquences directes sur la conception d’une installation hydraulique. Chaque pourcentage de puissance perdu dans la pompe ou le moteur se transforme en chaleur. Cette chaleur doit être évacuée par des radiateurs, ce qui nécessite de l’énergie supplémentaire et de l’espace d’installation. Une pompe avec un rendement global de 85 % transforme 15 % de la puissance d’entraînement en chaleur. Pour une puissance d’entraînement de 100 kW, cela représente 15 kW de puissance perdue qui sollicitent le refroidisseur d’huile.

Les concepteurs qui optimisent le rendement global dès la phase de conception réduisent non seulement la consommation d’énergie de l’installation, mais aussi les coûts liés au refroidissement et à la filtration. Dans les installations industrielles fonctionnant en continu, telles que les presses à injection ou les presses mécaniques, l’utilisation de composants plus efficaces s’amortit souvent en quelques années grâce aux économies d’énergie réalisées.

Mesures visant à améliorer le rendement global

Différentes approches permettent d’améliorer le rendement global d’un système hydraulique ou de le maintenir à un niveau élevé:

• Choix des composants: le choix du type de construction adapté à l’application concernée est le levier le plus important. Les pompes et moteurs à pistons axiaux offrent les meilleures conditions pour un rendement élevé en cas de charges variables.
• Optimisation du point de fonctionnement: les pompes et les moteurs doivent être exploités autant que possible à proximité de leur rendement maximal. Les régulations de débit en fonction de la charge permettent d’ajuster le point de fonctionnement.
• Gestion de la température de l’huile: une alimentation en huile à température contrôlée maintient la viscosité dans une plage optimale et évite les pertes de rendement dues à des températures trop élevées ou trop basses.
• Maintenance et surveillance de l’état: l’usure des pistons, des disques de commande et des joints augmente les fuites et réduit le rendement volumétrique. Des analyses d’huile régulières et des mesures de pression et de débit permettent de détecter précocement les pertes de rendement.
• Architecture du système: les systèmes à plusieurs pompes, les régulations à détection de charge et les entraînements à vitesse variable réduisent les pertes en charge partielle et améliorent le rendement global de l’installation.

Tendances de développement

Les exigences en matière d’efficacité énergétique des systèmes hydrauliques ne cessent d’augmenter, sous l’effet des contraintes légales et de la pression économique. Les fabricants développent des pompes et des moteurs dotés de géométries d’écartement optimisées qui réduisent les fuites sans augmenter les frottements. De nouveaux procédés de revêtement pour les pistons et les disques de commande réduisent l’usure et stabilisent le rendement global sur toute la durée de vie.

De plus, les concepts d’entraînement à vitesse variable gagnent en importance. Ils permettent de réguler le débit non pas en modifiant la pompe, mais en ajustant la vitesse du moteur. Cela élimine les pertes liées au réglage et améliore considérablement le rendement global, en particulier en fonctionnement à charge partielle. La technologie des capteurs, qui mesure la pression, la température et le débit directement au niveau du composant, permet en outre une régulation optimisée en temps réel en fonction du point de fonctionnement.