Notes de cours, cours 1 - moteurs et les différents composantes du tracteur PDF

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moteurs et les différents composantes du tracteur...

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01/02/2016

Étude technique du tracteur agricole 1. Moteur et accessoires - Les moteurs thermiques, Diesel, dominent le marché en attendant les moteurs hybrides voire électriques. - But du moteur thermique : transformer l'énergie thermique en énergie mécanique : moteur à combustion • Externe : source de chaleur non confinée : machine à vapeur qui actionne les pistons • Interne : source de chaleur confinée : moteur essence ou diesel dont les gaz actionnent le piston - L'explosion produit un mouvement linéaire non utilisable. Le vilebrequin transforme ce mouvement en rotatif. Les frottements entre la bielle et le vilebrequin sont atténués par des coussinets métalliques résistants à la chaleur (couler une bielle correspond à la fonte de ces coussinets en l'absence de refroidissement) - Le volant moteur (volant d’inertie) permet de réguler la rotation du moteur. - Les soupapes assurent l'entrée (admission) et la sortie (échappements) du mélange air-carburant. Elles sont actionnées et synchronisées par l'arbre à cames. L'ensemble représente la culasse. La rotation de l'arbre est assuré par une courroie qui le relis au vilebrequin. On distingue les moteurs à arbre à cames en tête aux systèmes à culbuteurs (plus ancien). - Un moteur est composé de 3 parties distinctes : la culasse, le bloc moteur et le Carter. Voir schéma cylindre-piston :! - Vmin = point mort haut - Vmax = point mort bas! - Vmax - Vmin = course = cylindrée unitaire (*Nb cylindre = cylindrée totale) - Taux de compression : Vmax/Vmin Remarque : un moteur en V permet une rotation plus souple mais prend plus de place.

- 1 cycle complet représente 2 aller retour de piston ; l'ordre d'allumage est 1-2-4-3 ou 1-3-4-2 i. Admission : piston descend et génère une dépression qui avec l'ouverture de la soupape permet l'entrée d'air ii. Compression : soupapes fermées, échauffement de l'air et injection de diesel iii. Détente : due à l'explosion iv. Échappement : soupape d'échappement s'ouvre et les gaz sont évacués —> 1 Seul temps sur 4 produit du travail.

A. Le moteur diesel! Conçu par R-C Diesel 1e moteur en 1894 : gasoil Le plus courant sur les tracteurs L'explosion se fait par le contact entre l'air chaud et le diesel Taux de compression de 15 à 25. Relation taux de compression - température - pression! Cycle idéal : air entre courbes = travail produit par le moteur • 0-1 : aspiration (Pression constante) • 1-2: compression adiabatique • 2 : injection • 2-3 : combustion à pression constante • 3-4 : détente adiabatique • 4-1 : détente à volume constante (ouverture de la soupape d'échappement) • 0-1 : échappement à Pression constante —> Cycle réel plus arrondi :

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B. Le moteur à essence Conçu par N. Otto en 1878 Le cycle est le même que pour un diesel Un carburateur permet de mélanger l'air et des vapeurs d'essence L'échauffement par compression n'est pas suffisant pour créer l'explosion donc une bougie est nécessaire. Le taux de compression est plus faible que dans un diesel (7,5 à 12 contre 15 à 25)

M. Charles Bielders

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- Cycle idéal : • 0-1 : aspiration (pression constante) • 1-2 : compression adiabatique • 2 : allumage • 2-3 : détente (volume constant) • 3-4 : détente adiabatique • 4-1 : détente (volume constant) • 1-0 : échappement (pression constante) C. Accessoires

- Régulation de l'admission / échappement : les soupapes - Combustibles : • Essence : Octane (C8H18), mesure de la qualité par l'indice d'octane = résistance du carburant à la détonation —

> proportionnels donc un taux de compression élevé nécessité un indice élevé. L'indice peut être amélioré par l'ajout de Plomb ou d'additifs organiques • Diesel : Cétane (C16H34), mesure de la qualité par l'indice de cétane = capacité à s'enflammer à l'injection. Plus l'indice est élevé plus le délai est court mais il est globalement moins important que pour l'essence —> L'indice d'octane diminue avec l'allongement des chaînes carbonées • Chaleur spécifique : quantité d'énergie par unités de volume (en kJ/L) ; diesel > essence D. Le rendement!

- Essence : • Travail = 35% • Frottements = 5% • Échappements = 30% • Refroidissement = 30%

- Diesel : • Travail = 45% • Frottements = 8% • Échappement = 17% • Refroidissement = 30%!

E. Étanchéité

- Au niveau des pistons : 3 joints (de bas en eau) = segmentations! • Racleur pour retenir l'huile • Étanchéité - Au niveau de la culasse : joint de culasse

• Coupe feu!

F. Alimentation

- Circuit d'alimentation d'un moteur diesel : Pression d'arrivée dans l'injecteur de plus de 100 bars grâce à une pompe à injection 1. Réservoir 2. Filtre 3. Pompe à injection 4. Soupape de sécurité (si surpression) 5. … 6. Injecteur Remarque : sous l'injecter se trouve la bougie de préchauffage pour chauffer l'air au démarrage du moteur - 3 types de système d'injection : permettent de moduler au mieux l'injection pour avoir une détente adiabatique. • Injection directe (figure a) : plus efficace mais combustion moins homogène. Nécessite des pressions d'injection très élevées • Injection indirecte avec chambre de turbulence (figure c) • Injection indirecte à chambre de pré-combustion (figure b) L'injecteur actionné par un système d'aimant avec une bobine et un ressort.

- Circuit d'alimentation d'un moteur essence : semblable à pression plus faible. Anciennement, un carburateur permettaient d'amener des vapeurs d'essence dans l'air et auquel on mettra feux. L'allumage est assuré par la bougie qui fonctionne comme un électrode. Une bobine d'allumage permet de transformer les 12V de la batterie en 40.000V pour que la bougie étincelle.

M. Charles Bielders

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G. Autres Démarreur : Moteur électrique puissant, alimenté par la batterie, permettant de mettre en mouvement. Il est plus puissant sur un diesel que sur un essence pour compenser le taux de de compression plus haut. Alternateur : alimenté par le moteur (via une courroie). Il permet de produire un courant 12V en alternatif qui sera transformé en continu Circuit de lubrification : minimiser les frottements et refroidir avec une huile ; nettoie et limite la corrosion ; à l'arrêt, l'huile est stockée dans le carter alors que sa circulation est assurée par une pompe ; sa filtration est assurée par un filtre qui en même temps permet de refroidir l'huile. La qualité d'une huile est représentée par sa viscosité à basse température et sa viscosité à haute température (multigrade VS monograde) Circuit de refroidissement : maintien le moteur et l'huile à des températures acceptables ; Liquide avec un antigel qui ne doit pas atteindre l'ébullition, lui même refroidit par le radiateur ; sa circulation est assuré par la pompe à eau.

- Autres : • Régulateur de vitesse : maintenir une vitesse de travail constante • Filtre à air : éviter l'usure des pistons et cylindre • Capteurs électroniques • Pot d'échappement : contrôle du bruit et catalyseur • Filtre à particule (moteur diesel)

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H. Entretien Niveaux : liquide de refroidissement, frein, huile Remplacer les filtres Remplacer l'huile Etc I.

Turbocompresseur

- But : accroître la quantité de mélange dans le cylindre en alimentant avec de l'air comprimé (1,5 bars) grâce à 2 turbines, la première étant alimentée par les gaz d'échappement.

- Intercooler : compression produit un échauffement supplémentaire à celui des gaz d'échappements qu'il faut refroidir.

J. Bilan!

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Carburant = essence Moteur à explosion Taux de compression faible (≈7) Carburateur ou Pompe à injection Compression du mélange-air carburant Allumage par bougie

M. Charles Bielders

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Combustible = Diesel Moteur à combustion Taux de compression élevé (≈15) Pompe à injection Compression air Injection de diesel dans air chaud Bougie de préchauffage P > donc moteur plus robuste Puissance égale —> consommation moindre !

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K. Le moteur 2 temps

- 1 cycle complet = 1 aller-retour du piston : 4 temps combinés dans 1 tour ; 1 temps producteur + 1 temps consommateur VS 4 temps avec 3 consommateurs - Carburant = mélange air - essence (vapeur) - huile (vapeur) ; pas de carter donc besoin d'huile pour la lubrification - Non soupape ni arbre à cames - Admission par carburateur dans un réservoir clos sous le piston - En fin de course du piston, les gaz s'échappe, le mélange air-carburant, apporté par le carburateur est comprimé (sous le piston) et s'engouffre dans le cylindre avant que le piston remonte (ce qui créer une dépression sous le piston qui aspire de nouveau le mélange. —> Admission et échappement ont lieu en même temps : problème de mélange gaz d'échappement et air propre… - Avantages : ! • Rapport poids/puissance élevé • Pas de soupapes • Fonctionne dans n'importe qu'elle position ! • Pas de circuit de lubrification • Moteur simple et léger - Inconvénients : ! • Faible efficience • Lubrification peu efficace ; usure plus rapide • Plus polluant! • Coût du carburant supplémentaire L. Puissance et Couple!

- Force : N (Newton) - Travail : J = N*m (Joule) - Puissance : W = N*m/S = J/S (Watt)! • Couple*Vitesse de rotation*2π ; vitesse de rotation = N ; couple = c =

F*r ; diviser par 60 pour les tours/min —> P = C*2π*(N/60)" • Force*Vitesse • Travail/Temps! - Énergie : kWh Remarque : quand la bielle est dans l'axe de rotation, il n'y a pas de couple généré. La force de couple augmente rapidement, max à 75°, puis diminue durant la descente du piston. Remarque : le taux de compression plus élevée dans le moteur diesel produit une force plus élevée et donc plus de couple. - Couple et Puissance : Couple = force exercée sur le vilebrequin disponible au niveau des roues et de la prise de force (cycliste sur pédale) VS Puissance = quantité de travail produite par unité de temps. Les 2 étant reliés par le nombre de tour/min - Relation régime moteur, consommation de carburations (par unité de travail produit), puissance, couple • Régime nominale = puissance maximale mais pas couple maximum • Notion de puissance max au couple max < puissance maximale • Réserve de couple = différence entre couple max et couple à puissance max (inférieure) ; compense une baisse de puissance momentanée ; valeur standard = 15% • Soit Mesures réalisées grâce à des branchements directement sur l'arbre de transmission. On mesure le couple à un certain régime, ainsi on peut déterminer la puissance. Il existe différents standards - SAE : moteur dégarni de tous ses accessoires non essentiels : pompe à eau, ventilateur, alternateur, filtre, … - DIN : moteur + accessoires standards (plus réaliste) —> Différence de 10 à 20 % • Soit Mesures de puissance à la barre = puissance disponible aux roues (C*N) transformée en puissance de traction. L'efficience de traction η est le rapport des 2 (traction/moteur), toujours inférieur à 1 car perte au niveau transmission et pneumatique (toujours un peu de glissement, 2-3%) :!

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M. Rendements - Exprimés par rapport à la puissance développé par le moteur - Voir schéma. Exemple pour un tracteur 2 roues motrices sur une surface horizontale en béton

2. Transmission mécanique A. Embrayage

- Permet de coupler/découpler de façon progressive le moteur de l'arbre de transmission et/ou de la prise de force • Mécanique : frottement entre 2 disques • Hydraulique : transmission de force au sein d'un liquide visqueux - Principe : B. Boites de vitesse

- 3 fonctions : • Démultiplication : la gamme de régimes moteurs utilisables est limitée (tracteur : 500-2000 t/min) et pas compatible avec la vitesse de rotation des roues —> Rapport de périmètre entre les pignons

• Conversion (augmentation) du couple : couple de l'arbre moteur est trop faible pour assurer la traction. La

puissance se conserve donc une réduction de la vitesse de rotation (N) entre le moteur et les pneus donne une hausse du couple (C) disponible au niveau des roues : C1*(2π*N1/60)+C2*(2π*N2/60) • Inversion du sens de rotation : marche arrière - Synchronisation : voir schéma. Harmonisation par friction entre la vitesse de rotation de l'arbre de transmission (roue) et la vitesse de rotation 'du volant moteur donc des pignons de la boite.

C. Prise de force

- Arrière et parfois avant, l'appareil a entraîné est relié à la prise de force par l'arbre à cardans

- Axe aux dimensions standardisées sur lequel on peut brancher des outils animés

- Puissance disponible = 85-90% de la puissance du moteur D. Différentiel

- Objectif : transmettre un même couple à deux arbres tournant à des vitesses différentes - Principe : vitesse moyenne de rotation des 2 axes = vitesse de rotation de la couronne - Un jeu de pignons permet d'avoir un découplage latérale et donc une vitesse de rotation différentes entre les 2 roues d'un même axe.

- Point faible : si une roue est enlisée, avec moins de frottement, le différentiel enverra le couple à la roue avec le moins de résistance alors qu'on voudrait l'inverse. Un blocage de différentiel permet de palier cette faiblesse. !

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E. Pneumatique - Rôle : • Transmettre l'effort de traction (principal) = roue motrice : adhérence l'œil leurs possible entre le pneu et le sol • Assurer le guidage = roue directrice • Porter le poids des engins - 2 roues VS 4 roues motrices - Pneumatiques important pour • Limiter la compaction et l'ornièrage : pneu large, basse pression, jumelés, chenilles. • Pneu à carcasse diagonale (rigide) VS carcasse radiale (souple) : variation de résistance des flancs et de la surface au sol.

3. Transmission hydraulique A. Principes

- Liquides = Incompressible (ΔP = 1% à 200 bars pour l'huile) - Liquides transmettent les pressions dans toutes les directions : amplification considérable de la force de travail.

- Principe du Crique hydraulique : F1/A1 = F2/A2 : - Transmission : • Hydrodynamique : basse pression et débit élevée —> Coupleurs et Transmission de puissance

• Hydrostatique : faible débit et haute pression —> Transmission d'effort (pompe-vérin) et hydrostatique (pompemoteur) —> Beaucoup plus fréquent

- Fonction des fluides • Transmission de puissance (seule fonction supplémentaire par rapport à l'huile de lubrification) : transformer

l'énergie mécanique en hydraulique via une pompe, la véhiculer et la réguler jusqu'à un récepteur avec un moteur hydraulique • Graissage des pièges en mouvement • Protection contre la corrosion • Dissipation de chaleur • Évacuation des impuretés - Composants d’un système : Réservoir d’huile —> Pompe (générateur de pression) —> Distributeur (organe de commande) —> Moteur ou vérin (cylindre + piston) + Accessoires (refroidisseur d’huile, filtre, soupape de sécurité) - Circuit hydraulique : • Pompe continue VS à la demande - Continue : simple et bon marché - Fermée + capteur de pression d’huile (stop la pompe) : moins d’usure, moins gourmande et plus réactive • Distributeur : transmission ou non de la pression dans le vérin - Position neutre : aucun mouvement du vérin - Position haute ou basse : huile pompée d’un coté ou de l’autre du vérin

- Moteur hydraulique • Circuit fermé avec un réservoir, un filtre, une pompe et un moteur • Transformation en un mouvement linéaire = vérin • Transformation en un mouvement rotatif = moteur rotatif • Mêmes principes de fonctionnement que les pompes (engrenages, piston, …)

M. Charles Bielders

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B. Types de pompes 2 grands types de pompes - À cylindrée constante : vitesse de rotation constante donc débit constant - À cylindrée variable : vitesse d'entraînement constante mais débit à la sortie variable 3 catégories de pompes - À engrenages (cylindrée constante) : • 2 pignons dont 1 entraîné par le moteur • Quantité d'huile fixée par la denture • Débit dépend de la vitesse de rotation • Transmission peut se faire dans les 2 sens (si prévu pour) : pompe ou moteur hydraulique • Pression de sortir ≈ 180-250 bars —> Pompes à mécanisme simple et bon marché mais peu efficiente

- À palettes (cylindrée constante) : • Cage annulaire ovoïde contenant un cylindre, avec des palettes, le tout tournant dans la cage.

• Force centrifuge —> palettes s'écartent faisant varier le volume entre

la cage et le piston —> Aspiration, Compression, Refoulement (2 fois en 1 tour)

- À pistons • Axiaux à cylindrée fixe : - Pistons dans le même axe que l'arbre d’entraînement - Arbre entraîne un plateau oscillant d'épaisseur variable —> Mouvement de va et vient des pistons alternativement

- Admission et refoulement assurées par des soupapes (classique et à billes) - Nombre de piston dans le barillet variable ; - Débit dépend de la rotation du plateau et de l'amplitude du mouvement du barillet —> Fonction de la vitesse de rotation

• Axiaux à cylindrée variable : - Arbre entraine le barillet - Plateau d'épaisseur constante mais a une inclinaison variable —> L'amplitude des pistons est variable ; un inclinaison négative du plateau entraîné un mouvement de rotation inverse donc une marche arrière pour les roues. • Radiaux : - Excentrique : axe entre 2 cylindre excentré assurant une alternance admission-refoulement sur les pistons dans le barillet autour - À piston rotatif : même principe mais piston au centre d'une cavité sur un point de fixation excentré.

Bilan : puissance des pompes Types de Pompe Engrenage

Débit (en l/min) 0-600

Pression (en Bar) 15-175

Vitesse (en tr/min) 800-3500

Palette Piston

0-950 0-1700

15-175 50-350

1200-4000 600-6000

C. Vérins

- Moteur hydraulique à mouvement linéaire - Peut être à double effet (injection possible de chaque côté) mais toujours moins forte d'un côté pour une même pression de liquide car surface plus petite - Simplicité technologique mais grande diversité de mouvement importante (mais jamais rotatif) M. Charles Bielders

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D. Applications Relevage hydraulique (3 points) • Vérin simple effet : descente sous le poids de l’outil • Toujours présent à l’arrière, parfois à l’avant Dispositif de contrôle • D'effort : pour le labour en terrain difficile, afin d'éviter la surcharge • De position pour les outils dont les hauteurs par rapport au sol doit être maintenue constante et nécessitant peu ou pas d'effort de traction • Mixte : louvoie de sol légers et homogènes Circuit électro-hydraulique : • Contrôle d'effort : privilégie la traction et relève l'engin si la résistance est trop importante • Contrôle de position : favorise la hauteur de travail Avantages de l’hydraulique : ! • Faible encombrement • Souplesse • Liberté d’implantation des composantes • Transmission excellente • Economie • Amplification de force • Sécurité (peu de pièce en mouvement)! • Simplicité (auto-lubrification) Inconvénients! • Pression élevée —> Danger • Nécessite une maintenance parfaite !

4. Cabine : confort, ergonomie, sécurité A. Cabrage & Equilibre

- Cabrage = cause principale de mort —> 3-4 secondes entre le début du soulèvement et le point de non retour. - 2 causes : • Forte pente • Traction de chose trop lourdes mais si point d'attache normal régulation physique. B. Confort & Ergonomie

- Confort : amortissement des chocs & vibration...