Connaissances de base
Hydraulique

Qu'est-ce que l'hydraulique ?  

L'hydraulique est la science qui a pour objet l'étude des propriétés mécaniques des fluides (les liquides et les gaz sont des fluides). La mécanique des fluides est la base théorique de l'hydraulique. Tout cela va donc couvrir l'utilisation de fluides sous pression et la connaissance de leur écoulement (débit, pression) dans des canalisations et leur mise en mouvement à l'aide de pompes.

La grande différence entre la mécanique des fluides appliquée aux liquides par rapport à celle appliquée aux gaz est que les liquides sont incompressibles et ça simplifie considérablement les choses...

Rassurez-vous, je me limiterai au strict minimum théorique pour une bonne compréhension de l'utilisation des fluides dans une automobile et, le sujet est déjà vaste !

Les liquides  

Le nombre de liquides présents dans une auto est assez limité. Il y a l'eau du circuit de refroidissement, quand il existe puisque certaines autos sont refroidies par air (Coccinelles, 2CV, etc.), il y a l'huile ou plutôt les huiles et assimilés, du circuit de lubrification, du circuit de freinage, de l'embrayage, etc. et il y a le carburant.

Comme déjà indiqué, ces liquides sont incompressibles. Cela signifie qu'il transmettent intégralement les pressions qu'on leur fait subir sans se déformer.

 Grandeurs caractéristiques

Pour ce qui nous intéresse dans ce chapitre, un liquide est caractérisé essentiellement par deux grandeurs, sa masse volumique et sa viscosité.

Masse volumique

Bien qu'exprimée en kg/m³ dans le SI, on utilise plus couramment le kg/dm³ (cf. la page « Unités de mesure »), elle a son importance dans la pression.

L'eau a une masse volumique de 1 (à température ambiante), les huiles et assimilés ont des masses volumiques de 0,85 à 0,95 et les carburants de 0,75 (essence) à 0,80 (gazole).

Viscosité

La viscosité est la grandeur physique qui caractérise la résistance à l'écoulement d'un liquide. Elle varie avec la température et les actions mécaniques auxquelles il est soumis. Plus l'indice de viscosité d'un liquide est grand, moins la température a d'influence sur sa viscosité. La viscosité s'exprime en Pa.s (Pascal seconde) qui vaut 1 kg/m/s. Son ancien nom était le Pl (Poiseuille) qui était divisé en 10 poises (Po).

À titre indicatif, la viscosité de l'eau varie de 1,80.10^-3 à 0°C à 0,28.10^-3 à 100°C en passant par 1,00.10^-3 à 20°C et 0,55.10^-3 à 50°C. On en conclue donc que sa résistance à l'écoulement est bien moindre quand sa température augmente.

La viscosité des huiles est abordée dans la page « Lubrification ».

 Pression

La pression est la force exercée sur une surface. Elle est exprimée en Pa (Pascal), c'est à dire en N/m². Plus communément, on utilise le kgf/cm² ou encore la psi (pound per square inch ou livre par pouce carré) chez les Anglais (1 psi = 0,07 kgf/cm² ou 1 gkf/cm² = 14,3 psi).

En mécanique des fluides, on dira que la pression est le poids exercé par une colonne de liquide sur une surface d'un cm² ; elle est la même en tout point de ce liquide et s'exerce sur toutes les surfaces en contact avec ce liquide. Attention : je n'ai pas dit que la pression exercée était la même sur toutes les surfaces en contact avec le liquide. Seule la pression interne au liquide est la même. Le petit dessin va vous aider à comprendre.

On aura reconnu l'expérience du tonneau de Pascal qui a mis en évidence l'importance de la hauteur du liquide dans la pression exercée sur les surfaces en contact.

Remplissons un récipient d'eau tout en laissant la surface libre en contact avec l'air. Sur l'eau s'exerce donc la pression atmosphérique. L'eau étant incompressible, en tout point du liquide contenu dans le récipient, la pression est celle de l'atmosphère.

Par contre, la pression exercée par l'eau sur les parois du récipient varie en fonction de la distance de ce point à la surface libre et est égale au poids de la colonne d'eau d'un cm² de surface. Le poids d'une telle colonne d'eau d'un mètre de hauteur est de 100 gf. La pression à ce point est donc de 0,1 kgf/cm².

Les plongeurs sous-marins connaissent bien cet effet : tous les 10 m de profondeur, la pression augmente d'un kgf/cm² (en plongée, on parlera de bars, ce qui est à peu près équivalent).

 Perte de charge

Définition simple

Comme on vient de le voir, à hauteur égale, la pression est la même. En fait ce n'est vrai qu'en statique. Dès que le liquide se met en mouvement, cela devient différent à cause des pertes de charge.

Le mouvement est caractérisé par le débit et la perte de charge par la résistance au déplacement du liquide dans la canalisation.

Imaginons une canalisation horizontale de diamètre constant remplie d'eau sur laquelle à gauche on exerce une pression constante P et fermée à droite par un robinet. On a placé plusieurs manomètres sur le parcours de la conduite et, aux mêmes emplacements, on a schématisé la pression par une colonne d'eau.

Les manomètres mesurent la pression relative ; c'est à dire qu'ils ne tiennent pas compte de la pression atmosphérique.

À l'entrée, le manomètre indique P. À la sortie, le manomètre, placé juste devant le robinet, indique également P. Et sur tout le parcours, les manomètres indiquent P.

Maintenant, ouvrons le robinet et une fois le débit bien installé (nous ne nous occuperons pas des phénomènes transitoires), observons les manomètres.

À l'entrée, le manomètre indique P puisque nous avons considéré cette pression constante. À la sortie, le manomètre indique 0 puisque la canalisation est ouverte et mise à l'air libre. Et sur tout le parcours, les manomètres indiquent une pression différente, décroissante au fur et à mesure qu'on s'éloigne de l'entrée et qu'on se rapproche de la sortie.

Que s'est-il passé ?

La viscosité de l'eau et la rugosité des parois de la canalisation ont créé une résistance à l'écoulement. C'est ce qu'on appelle la perte de charge.

Elle est matérialisée sur le schéma, par la ligne rouge, appelée ligne piézométrique. Ici, c'est une droite parce qu'on a considéré que la conduite était de diamètre constant.

On perçoit bien que cette résistance est d'autant plus forte que le débit est élevé, que la canalisation est de petit diamètre ou qu'elle est plus longue. Sans parler de l'aspect de ses parois (on reviendra sur ce point important en examinant l'écoulement des gaz).

De façon simplifiée, on détermine que la perte de charge est directement proportionnelle à la longueur de la canalisation, au carré de la vitesse d'écoulement du liquide et inversement proportionnelle au diamètre de la canalisation. Il s'agit de la loi de Darcy :

ΔP = C.L.v²/d

Mais comme en général on utilise le débit plutôt que la vitesse, la formule devient (pour une canalisation circulaire) :

ΔP = C.L.Q²/d⁵ ou

ΔP = C.L.Q².d^-5

Ce qui revient à dire que la perte de charge ΔP est directement proportionnelle à la longueur L de la canalisation, au carré du débit Q d'écoulement du liquide et inversement proportionnelle à la puissance 5 du diamètre d de la canalisation. Le coefficient C étant fonction de la viscosité du liquide, de la rugosité des parois de la canalisation et d'autres paramètres dont on n'a que faire ici.

Interprétation

Cette formule simplifiée n'est valable que pour des canalisations circulaires. Il s'agit évidemment d'un cas idéal peu fréquent dans une automobile. Dans tous les autres cas, la formule devient bien plus compliquée et nous ne l'aborderons pas. Il s'agissait ici de donner une idée simple du phénomène.

On a vu que le total des pertes de charges d'un circuit ouvert (se terminant à l'air libre), comme c'est par exemple le cas des circuits de refroidissement (sans vase d'expansion) ou de lubrification d'un moteur, est égal à la pression à l'entrée du circuit.

Si on considère que la pression P à l'entrée de notre canalisation est générée par une pompe, on comprend vite que c'est la puissance de cette pompe qui va déterminer le rapport pression-débit qui va automatiquement se réguler pour vaincre les pertes de charge du circuit. En fait, un tel circuit se régule seul et automatiquement par l'aval.

Et comme chaque pompe a sa propre courbe de fonctionnement, le concepteur du circuit choisira la pompe dont la plage de fonctionnement sera adaptée aux dimensions de ce circuit. Cela ne peut se faire que par tâtonnement et expériences successives.

 Démultiplication de force

Une application intéressante de la mécanique des fluides est la démultiplication de force ; elle est utilisée partout où on a besoin d'assistance pour augmenter la force exercée par le conducteur (direction, embrayage, freinage, etc.).

On se sert de l'incompressibilité du fluide qui transmet intégralement les pressions qu'on lui applique.

Considérons deux cylindres munis chacun d'un piston et reliés par une canalisation. L'ensemble est rempli d'huile (ce pourrait être un autre liquide, mais l'huile n'est pas corrosive sur les métaux). Le cylindre émetteur a une petite section S_e, le cylindre récepteur a une forte section S_r.

On applique sur le piston émetteur une force F_e. Il va en résulter une pression

P = F_e/S_e

qui est intégralement répercutée en toute partie du circuit et notamment sur le piston récepteur qui va subir une force

F_r = P.S_r soit

F_r = F_e.S_r/S_e

La force exercée a ainsi été multipliée par le rapport des surfaces des cylindres.

Outre l'avantage évident de cette méthode, cela permet de transmettre un mouvement sans effort en se passant de tout type de câbles ou de tringleries. L'inconvénient est que le volume de liquide déplacé dans le cylindre émetteur est le même dans le cylindre récepteur et que donc il faudra effectuer une plus longue course à l'émission pour un résultat moindre à la réception.

Les gaz  

À partir de maintenant, il va falloir s'accrocher un peu plus mais cela sera nécessaire pour comprendre le fonctionnement de la « carburation » et de l'« échappement ». Donc, courage !

Toutefois, je n'entrerai pas dans les détails car la dynamique des fluides compressibles est si vaste et si compliquée qu'il y a de quoi écrire des centaines de livres sur le sujet sans l'épuiser...

Nous allons nous contenter de notions simples qui seront plus ou moins approfondies dans les pages cités précédemment en fonction des besoins.

Les gaz sont compressibles et c'est bien ce qui va compliquer les choses... Tout d'abord un rappel, la loi des gaz parfaits :

P.V = n.R.T

Cela revient à dire que le produit du volume V et de la pression P d'une masse de gaz donnée n est constant à température constante et varie proportionnellement à la température T exprimée en °K (c'est à dire la température absolue). Évidemment aucun gaz n'est parfait... mais cela donne une idée déjà de leur comportement élastique.

Il faut savoir que les écoulements des gaz peuvent être laminaires, turbulents, stationnaires ou instationnaires et que l'accoustique et l'aérodynamique vont y jouer également un rôle.

Comme toujours en mécanique (je ne parle pas de la mécanique du garagiste, mais de celle du physicien), il ne faut jamais perdre de vue son bon sens et ses intuitions. Ainsi on devine aisément qu'un gaz aura d'autant plus de mal à circuler dans des conduites qu'elles seront tourmentées, biscornues, rugueuses, ou à changement de section brutaux, etc.

Dans un circuit ou système hydraulique il faut donc toujours s'efforcer que l'écoulement soit si possible laminaire car au-delà il passe en phase dite critique puis ensuite en régime turbulent, ce qui transforme l'énergie mécanique en température plutôt qu'en énergie hydraulique, rendant difficile voire impossible d'atteindre l'effet escompté.

Les conditions d'utilisation de la circulation des gaz dans une auto donneront lieu à des phénomènes d'inertie et de rebond qu'on ne rencontre pas dans la circulation des liquides (tout du moins dans les circuits simples d'une auto car tout le monde a déjà entendu parler des coups de bélier, capable de détruire des canalisations).

On n'abordera pas plus la théorie car ce serait fastidieux et sans intérêt pour l'usage qu'on veut faire ici.