Moteur à piston axial

Un moteur à pistons axiaux est un moteur volumétrique utilisé en hydraulique, dans lequel les pistons sont disposés parallèlement à l’axe de rotation. Il transforme l’énergie hydraulique issue de la pression et du débit en énergie mécanique de rotation. La disposition axiale des pistons et un plan d’appui incliné génèrent un mouvement de va-et-vient qui provoque la rotation de l’arbre de sortie. Les moteurs à pistons axiaux se caractérisent par une densité de puissance élevée, des vitesses de rotation pouvant dépasser 10.000 tr/min et des pressions de service pouvant atteindre 450 bars.

Principes de base et fonctionnement du moteur à pistons axiaux

Le moteur à pistons axiaux appartient à la famille des machines à pistons et fonctionne comme une machine à déplacement positif selon le principe du déplacement de volume. L’huile sous pression est acheminée via un disque de commande dans les alésages d’un bloc-cylindres rotatif. Les pistons s’appuient sur un plan incliné, ce qui permet de transformer la force linéaire des pistons en couple. En fonction de la position des pistons par rapport au canal de pression ou d’aspiration du disque de commande, il en résulte un entraînement rotatif continu.

Structure et composants principaux

Le cœur d’un moteur à pistons axiaux est constitué du bloc-cylindres, également appelé tambour à cylindres, comportant plusieurs alésages axiaux dans lesquels les pistons sont guidés. En pratique, le nombre de pistons se situe généralement entre sept et onze, un nombre impair étant privilégié afin d’obtenir une courbe de couple plus régulière. Les autres composants essentiels sont le disque de commande qui régule le débit d’huile, l’arbre de sortie ainsi que le plan d’appui incliné, réalisé sous forme de disque incliné ou via un angle d’axe incliné.

Les pistons transmettent la force hydraulique au plan incliné. Comme la force n’agit pas dans la direction de l’axe de rotation, il en résulte une composante tangentielle qui met le bloc-cylindres en rotation. Le disque de commande veille à ce que chaque cylindre reçoive de l’huile sous pression au bon moment et évacue l’huile détendue.

Couple et vitesse de rotation

Le couple délivré par un moteur à pistons axiaux dépend de la pression appliquée et du volume d’aspiration. Le volume d’aspiration décrit le volume de fluide hydraulique que le moteur aspire par tour. Plus le volume d’aspiration est important et plus la pression de service est élevée, plus le couple disponible à l’arbre de sortie est important. La vitesse de rotation est proportionnelle au débit volumétrique fourni: un débit volumétrique plus élevé entraîne une vitesse de rotation plus élevée du moteur. Les moteurs à pistons axiaux modernes atteignent des rendements globaux de 90 à 95 %, ce qui les classe parmi les moteurs hydrauliques les plus efficaces.

Types de moteurs à pistons axiaux

Les moteurs à pistons axiaux se divisent en deux types principaux selon le mode de transmission de la force: le type à disques inclinés et le type à axes inclinés. Ces deux principes se distinguent par la conception du plan incliné et présentent des avantages et des inconvénients spécifiques.

Type à disque incliné (principe du disque oscillant)

Dans la construction à disque incliné, le bloc-cylindres tourne tandis que le disque incliné reste fixe dans le carter. Les pistons s’appuient sur le disque incliné par l’intermédiaire de patins de glissement. L’angle d’inclinaison du disque incliné détermine la course du piston et donc la cylindrée. Sur les moteurs à cylindrée variable, cet angle peut être modifié pendant le fonctionnement, ce qui permet un réglage continu du couple et de la vitesse de rotation.

La conception à disque incliné se caractérise par une structure compacte et des temps de réglage courts. L’angle de pivotement est limité, de par la conception, à environ 15 à 20 degrés, ce qui restreint la course maximale et donc la cylindrée maximale. En revanche, cette conception se distingue par son faible encombrement et convient particulièrement aux applications où l’espace de montage et le poids jouent un rôle important.

Conception à axe oblique

Dans la conception à axe oblique, le bloc-cylindres et l’arbre de sortie sont disposés à un certain angle l’un par rapport à l’autre. Les pistons sont reliés à l’arbre de sortie par des bielles. L’angle de l’axe oblique détermine la course des pistons et est généralement compris entre 25 et 40 degrés pour les moteurs à régime constant; pour les moteurs à réglage, il peut être ajusté en continu.

La construction à axe oblique permet des angles de pivotement plus importants que la construction à disques obliques, ce qui permet d’obtenir un volume d’admission plus important et des couples plus élevés. De plus, ce type de construction supporte des pressions de service plus élevées, car la transmission de la force via les bielles est plus efficace. La complexité de la construction est toutefois plus importante, ce qui se traduit par des coûts plus élevés et un volume de construction légèrement plus important.

Comparaison des types de construction

Moteur à pistons axiaux en tant que moteur à cylindrée variable et moteur à cylindrée fixe

Les moteurs à pistons axiaux sont proposés aussi bien comme moteurs à cylindrée fixe que comme moteurs à cylindrée variable. Les moteurs à cylindrée fixe sont utilisés lorsque les exigences en matière d’entraînement restent constantes. Ils sont de conception plus simple, moins coûteux et nécessitent moins d’entretien.

Les moteurs à cylindrée variable, en revanche, permettent d’adapter la vitesse de rotation et le couple aux variations de charge pendant le fonctionnement. À débit volumique constant, une réduction du volume d’admission entraîne une augmentation de la vitesse de rotation avec un couple réduit, tandis qu’une augmentation du volume d’admission augmente le couple et réduit la vitesse de rotation. Cette flexibilité rend les moteurs à cylindrée variable particulièrement intéressants pour les transmissions hydrostatiques et les applications présentant des profils de charge très variables.

Le réglage peut s’effectuer de manière purement hydraulique via une pression de commande ou de manière électrohydraulique via des vannes proportionnelles. Les systèmes électrohydrauliques offrent une résolution plus fine et peuvent être intégrés dans des architectures de commande numériques, ce qui revêt une importance croissante.

Moteur à pistons axiaux par rapport au moteur à pistons radiaux

Outre le moteur à pistons axiaux, le moteur à pistons radiaux est le deuxième type important de moteurs à pistons en hydraulique. Ces deux types de moteurs ont leurs atouts dans différents domaines d’application.

Les moteurs à pistons axiaux séduisent par leurs vitesses de rotation élevées, leur conception compacte et leur excellent rendement. Ils conviennent aux applications qui exigent des mouvements rapides et une régulation précise. Les moteurs à pistons radiaux, en revanche, fournissent des couples nettement plus élevés à bas régime et ne nécessitent pas de réducteur supplémentaire, alors que les moteurs à pistons axiaux doivent souvent être équipés d’un réducteur. En revanche, les moteurs à pistons radiaux sont plus grands, plus lourds et n’atteignent généralement pas les vitesses de rotation du type axial.

Le choix entre les deux types de construction dépend des exigences de l’application: la vitesse, l’efficacité et la compacité plaident en faveur du moteur à pistons axiaux, tandis qu’un couple élevé à bas régime et la robustesse font pencher la balance en faveur du moteur à pistons radiaux.

Domaines d’application des moteurs à pistons axiaux

Les moteurs à pistons axiaux sont utilisés dans une large gamme d’applications hydrauliques. Dans le secteur mobile, ils dominent les transmissions hydrostatiques des pelles, chargeuses sur pneus, grues télescopiques et engins sur chenilles. Ils y assurent des vitesses de déplacement réglables en continu et des forces de traction élevées. Les moteurs à pistons axiaux sont également utilisés dans les mécanismes de rotation des grues et des pelles.

Dans le secteur industriel stationnaire, les moteurs à pistons axiaux entraînent des presses, des presses à injection et des machines-outils. Dans les éoliennes, ils sont utilisés pour le réglage des pales et la rotation de la nacelle. De plus, ils fonctionnent dans des groupes hydrauliques qui alimentent plusieurs consommateurs en huile sous pression.

Un autre domaine d’application est le circuit fermé, dans lequel l’huile de retour est directement renvoyée vers la pompe. De par leur conception, les moteurs à pistons axiaux sont particulièrement adaptés à ce mode de fonctionnement, très répandu dans les entraînements de translation et les treuils.

Entretien et maintenance

La fiabilité et la durée de vie d’un moteur à pistons axiaux dépendent en grande partie de la qualité du fluide hydraulique et du respect des intervalles d’entretien. L’usure se produit principalement au niveau des surfaces de glissement des pistons et du disque oblique, des paliers de l’arbre de sortie et des joints d’étanchéité.

Qualité de l’huile et filtration

La pureté de l’huile hydraulique est un facteur déterminant. Conformément à la norme ISO 4406, il convient de respecter au minimum la classe de pureté 20/18/15, voire 19/17/14 en cas de températures de fonctionnement élevées. Les particules présentes dans l’huile entraînent une usure accrue des surfaces de glissement usinées avec précision et peuvent endommager le disque de commande. Le remplacement régulier des filtres et les analyses d’huile comptent donc parmi les mesures d’entretien les plus importantes.

Signes d’usure typiques

• Perte de pression interne accrue due à l’usure des pistons et des cylindres
• Fuites au niveau des bagues d’étanchéité d’arbre et des joints toriques
• Modifications du bruit dues à des dommages au niveau des paliers
• Baisse de performances due à l’usure du disque de commande

Une détection précoce de ces symptômes grâce à un contrôle régulier de la pression, de la température et du niveau sonore permet d’éviter des dommages consécutifs coûteux.

Normes et standards

Plusieurs normes et standards s’appliquent aux moteurs à pistons axiaux et régissent la sécurité, la compatibilité et l’évaluation des performances. La norme DIN ISO 4413 définit les exigences techniques de sécurité applicables aux installations hydrauliques. La norme ISO 4406 classe la contamination par particules dans l’huile hydraulique, ce qui est déterminant pour la durée de vie du moteur. La norme DIN 51524 définit les exigences relatives aux fluides hydrauliques, tandis que les normes DIN 9611 et DIN 6885 régissent la conception des arbres et des clavettes.

Des fabricants tels que Bosch Rexroth, Parker, Liebherr et Hawe proposent des moteurs à pistons axiaux de différentes tailles et de différents types, qui répondent à ces normes et sont conçus pour une utilisation dans des systèmes hydrauliques exigeants.