Choisir un actionneur linéaire : vérin pneumatique, hydraulique, électrique ou à gaz

1. L'actionneur, bout de la chaîne d'énergie

Dans un système automatisé, la chaîne d'énergie alimente, distribue, convertit puis transmet l'énergie jusqu'à la pièce à déplacer. L'actionneur est l'étape qui convertit : il reçoit de l'air comprimé, de l'huile sous pression ou de l'électricité et produit un mouvement. Un actionneur linéaire produit une translation : il pousse, tire, serre ou soulève. Le cours sur la chaîne d'information et le GRAFCET explique comment il est commandé.

2. Vérins simple effet et double effet

Un vérin est un tube fermé, le corps, dans lequel coulisse un piston relié à une tige. Le fluide sous pression pousse sur le piston, la tige sort ou rentre.

Il existe de nombreuses variantes : vérin compact à course courte, vérin sans tige dont le chariot glisse le long du corps, vérin à tige traversante, vérin guidé qui encaisse les efforts latéraux. Sur beaucoup de vérins pneumatiques, un aimant dans le piston permet à des capteurs fixés sur le corps de détecter la position de la tige : c'est ainsi que l'automate sait si la bride est ouverte ou fermée.

3. Calculer l'effort en poussée et en traction

L'effort théorique est le produit de la pression par la surface sur laquelle elle s'applique. En poussée, le fluide agit sur toute la surface du piston, la section pleine. En traction, il agit côté tige : la tige occupe le centre, il ne reste que la section annulaire.

Pour travailler en newtons avec des surfaces en mm², on met la pression en N/mm² : 1 bar = 0,1 N/mm². Donc 6 bar = 0,6 N/mm², et 150 bar = 15 N/mm².

1. 1Calculer la section pleine : S = π × 40² ÷ 4 ≈ 1 256,6 mm².
2. 2Calculer l'effort de poussée à 6 bar : F = 0,6 × 1 256,6 ≈ 754 N.
3. 3Calculer la section annulaire avec une tige de 16 mm : S' = π × (40² − 16²) ÷ 4 = π × 1 344 ÷ 4 ≈ 1 055,6 mm².
4. 4Calculer l'effort de traction : F' = 0,6 × 1 055,6 ≈ 633 N.

Ce calcul concerne le vérin de bridage pneumatique de Méca-Garonne. Ce sont des efforts théoriques : les frottements des joints en retirent une partie, et les fabricants donnent l'effort réel dans leurs tableaux. Sur la presse plieuse, les chiffres changent d'échelle : un vérin hydraulique de 100 mm d'alésage et 56 mm de tige, à 150 bar, pousse d'environ 15 × 7 854 ≈ 117,8 kN et tire d'environ 15 × 5 391 ≈ 80,9 kN.

4. Régler la vitesse d'un vérin pneumatique

La vitesse d'un vérin dépend du débit de fluide, pas de la pression. On la règle avec un réducteur de débit unidirectionnel (souvent appelé RDU) : un étrangleur réglable monté en parallèle d'un clapet anti-retour. Dans un sens, l'air passe librement par le clapet ; dans l'autre, le clapet se ferme et l'air doit passer par l'étrangleur.

On monte le RDU pour qu'il freine l'air qui sort du vérin : c'est le réglage à l'échappement. L'air enfermé côté opposé fait alors coussin, le piston est tenu entre deux pressions et avance régulièrement, même si la charge varie. Freiner l'air qui entre donne au contraire un mouvement saccadé, car l'air est compressible : le piston attend que la pression monte, part d'un coup, s'arrête, repart.

1. 1Machine en mode réglage, zone dégagée, un seul mouvement réglé à la fois.
2. 2Identifier le RDU qui freine le mouvement voulu : pour la sortie de tige, celui côté tige.
3. 3Partir d'un réglage assez fermé, puis ouvrir la vis par petites touches en faisant un cycle entre chaque.
4. 4Une fois la vitesse obtenue, bloquer le contre-écrou et noter le réglage si la fiche de poste le prévoit.

5. Amortir la fin de course

Un piston qui arrive à pleine vitesse en butée claque : chocs, bruit, pièces qui bougent dans le montage, fatigue du vérin. Beaucoup de vérins ont un amortissement réglable. Juste avant la fin de course, une douille du piston entre dans un alésage du fond et enferme un peu d'air, qui ne peut plus s'échapper que par un petit passage réglé par une vis. Ce coussin freine le piston sur les derniers millimètres. Trop ouvert, il ne sert à rien ; trop fermé, le piston rebondit ou n'arrive pas en butée, et le capteur de fin de course ne voit rien.

6. Le vérin électrique

Un vérin électrique associe un moteur et un système vis-écrou : le moteur fait tourner la vis, l'écrou lié à la tige avance. Il n'a besoin ni d'air ni d'huile, seulement d'un câble. Piloté par un variateur ou un contrôleur d'axe, il peut s'arrêter à n'importe quelle position avec précision, à la vitesse voulue : c'est son grand avantage sur le vérin pneumatique, qui travaille surtout entre deux butées.

Ses limites : il coûte plus cher à l'achat, il chauffe s'il force longtemps à l'arrêt, et s'il utilise une vis à billes il est réversible : une charge verticale doit être tenue par un frein.

7. Le vérin à gaz

Le vérin à gaz, ou ressort à gaz, est un tube rempli d'azote sous pression et d'un peu d'huile. Il n'a besoin d'aucune énergie extérieure : il pousse en permanence, comme un ressort, avec un effort qui varie peu sur la course. On le trouve sur les capots et portes des machines, qu'il aide à lever puis maintient ouverts. Avec le temps, il perd un peu de pression : un capot qui ne tient plus ouvert signale un vérin à gaz à remplacer.

8. Choisir la bonne technologie

Aucune technologie ne gagne sur tous les plans. On part du besoin : quel effort, quelle course, quelle vitesse, faut-il s'arrêter à des positions intermédiaires ? Puis on regarde l'énergie disponible sur la machine et les contraintes de propreté et de coût.

Pensez aussi à ce qui se passe en cas de coupure d'énergie. Un vérin pneumatique commandé par un distributeur monostable revient à sa position de repos. Un vérin hydraulique peut être tenu par un clapet piloté. Un vérin électrique s'arrête sur place, tenu par sa vis ou son frein. Un vérin à gaz, lui, continue de pousser. Ce comportement compte autant que l'effort dans le choix.

9. Pour aller plus loin