Engins mobiles : la course à la productivité et aux rendements

A l’heure où tous les industriels cherchent à faire des économies, les constructeurs d’engins mobiles ne dérogent pas à la règle. Tous veulent des solutions leur permettant d’accroitre la productivité de leurs matériels tout en réduisant leur consommation énergétique. Pour atteindre ces objectifs, ils construisent des engins qui offrent toujours plus de puissance, dans un même, voire un moindre, encombrement. Les pressions montent donc dans les pompes, les moteurs, les tuyaux et les raccords. Dans le même temps, on assiste à une chasse aux pertes d’énergie qui nécessite de faire fonctionner les engins au plus juste des besoins. En conséquence, le multiplexage de leur moteur thermique et de leur système hydraulique, qui permet la mise en commun et l’échange d’information entre les systèmes, se retrouve en standard sur beaucoup d’engins mobiles du marché. Et comme ces derniers, qu’ils soient destinés aux BTP ou aux travaux agricoles, sont soumis à des environnements extérieurs souvent agressifs et à des conditions d’utilisations difficiles avec de nombreux freinages et coups de bélier, leurs transmissions doivent absolument avoir de bonnes tenues aux chocs, aux vibrations et à la corrosion. Elles doivent aussi faire preuve de précision et de répétabilité. Le tout à des prix très compétitifs imposant des marges toujours plus faibles sachant que le marché des engins mobiles est très concurrentiel depuis la crise de 2008. S’ajoute à toutes ces contraintes, celle de veiller à la non pollution des sols avec comme conséquence la suppression des risques de fuites hydrauliques et l’utilisation croissante d’huiles biodégradables. Pour résumer et comme le dit si justement Atlas Copco en préalable au salon Intermat 2012, « des compresseur aux équipements de forage en passant par les marteaux, concasseurs et autres matériels de construction routière…l’objectif est le même : apporter un gain de productivité, au moindre coût d’exploitation et avec le moindre impact environnemental ».

Puissance et compacité
Les pompes et les moteurs hydrostatiques de la série H1 de Sauer Danfoss répondent bien à ces impératifs. Cette gamme fournit une puissance élevée dans un package compact et flexible. Sorti en 2008 en 110 cm3 de cylindrée, en complément de la série de pompe H1 à pistons axiaux conçue pour les machines mobiles intelligentes, le moteur H1 à axe brisé est aujourd’hui disponible en 4 cylindrées différentes allant de 60 à 160 cm3. Les pompes H1 sont, elles, commercialisées de 45 à 165 cm3.

Les pompes H1 sont, elles, commercialisées de 45 à 165 cm3.
« Demain, pour répondre à l’ensemble des besoins du secteur des engins mobiles, nos moteurs iront de 60 à 250 cm3 et nos pompes de 28 à 250 cm3 », confie Frédéric Chalot, directeur général de Sauer Danfoss France. A l’entreprise Bonfiglioli Transmissions, les constructeurs d’engins agricoles ou de construction demandent des motoréducteurs hydrauliques capables de rendre leurs machines toujours plus rapides. « De 25 km/h, on est passé à 40 km/h. Nous savons monter jusqu’à 50 km/h et avons des solutions pour aller au delà, jusqu’à 60 km/h, dans un futur proche », souligne Pascal Froment, responsable de la division mobile de Bonfiglioli Transmissions. Pour atteindre de telles vitesses, le fabricant a du augmenter le rendement de ses motoréducteurs afin de réduire la montée en température au cœur du composant.

Pour le déplacement à 10 km/h d’une pelle à chenilles de 8 tonnes équipée d’un moteur de 42 cm3, Bonfiglioli a proposé son réducteur 705 C2 K. Ce dernier est capable de tourner très vite sans s’échauffer outre mesure tout en prenant peu de place. Et c’est très important car l’espace réservé aux transmissions de puissance est souvent réduit. Surtout sur les engins équipés de moteurs thermiques diesel. De fait, pour satisfaire les exigences de la règlementation Tier 4 portant sur la diminution des émissions de CO2, les moteurs diesel prennent de plus en plus de place et en laisse moins aux autres équipements. « Aussi les solutions multifonctions sont-elles très souvent demandées afin de réduire les encombrements et les coûts », précise Jean Paul Peschieras, d’Olaer Industries. Les systèmes de refroidissement proposés par cette société, élément essentiel du bon fonctionnement du système hydraulique et le cas échéant du moteur thermique, prennent en compte ces demandes. 

Hybridations hydrauliques
« En cinquante ans, la profession a réussi à diviser par trois la masse des moteurs hydrauliques offrant les mêmes vitesses et puissances. L’évolution continue. D’ici cinquante ans, nous aurons multiplié par deux ou par trois les performances de nos moteurs sans en augmenter la masse », avance Yannick Seeleuthner, responsable marketing du groupe Poclain Hydraulics. Son entreprise, qui fait partie des leaders mondiaux des transmissions hydrostatiques, propose des hybridations hydrauliques à monter sur les engins routiers. Son AddiDrive Assist est une transmission additionnelle hydraulique qui offre aux camions et aux véhicules utilitaires légers une plus grande mobilité quand ils se déplacent dans la boue ou la neige. Placée dans les essieux avant ou arrière, cette assistance est une alternative écologique à toutes roues motrices en cas de besoin ponctuel d’un couple élevé. 

Le besoin d’augmentation de puissance des transmissions a non seulement des conséquences sur l’évolution des moteurs et des pompes mais aussi sur celle des pressostats et des transmetteurs. En plus de sa gamme de pressostats avec connecteur normalisé intégré de protection IP67, Suco VSE propose ainsi en standard un pressostat très compact capable de commuter jusqu’à 400 bar. 

Flexibles et raccords
La course à la puissance impose également de nouvelles contraintes aux flexibles très usités dans les engins mobiles. Ces derniers doivent pouvoir résister à des pressions élevées tout en offrant de petits rayons de courbure afin de prendre le moins de place possible sur les engins. Plus exigeante que les précédentes, la norme ISO 18752 concernant les tuyaux haute pression a beau être sortie en 2006, elle n’est pas encore requise par tous les constructeurs de composants et d’engins. Mais la plupart des fabricants de tuyaux la prennent en compte dans leur offre. Sorti il y a 3 ans et encore au top de l’innovation, le Compact Spiral de Parker Hannifin est aussi robuste qu’un tuyau spiralé et aussi souple qu’un tressé. Il tient à des pressions de 350 et 420 bar. Il possède un rayon de courbure réduit de moitié par rapport à celui d’un tuyau classique SAE à spirales, un diamètre externe 30 % plus petit et demande un tiers d’effort en moins à la flexion. Bien que plus léger de 26 % qu’un modèle standard à spirales, le tuyau de Parker a passé avec succès 2 millions de cycles d’impulsions, soit le double des exigences de la norme ISO 8752-DC et le quadruple des critères SAE. Il est aujourd’hui disponible en cinq tailles d’1/2 pouce à 1 pouce ¼.

« Notre objectif est d’aller jusqu’aux 2 pouces. Nous devrions en commercialiser de cette taille d’ici un an et demi », avance Lilian Guichard, spécialiste des produits flexibles chez Parker. Pour assembler ses tuyaux entre eux, Parker propose un raccord qui tient à des pressions jusqu’à 400 bar. Ce raccord, le Parker Universal Push To Connect est un système de liaison rapide qui opère par simple poussée manuelle avec comme bénéfice un montage sans outillage cinq fois plus rapide qu’avec un raccord traditionnel. Pour les opérations de maintenance, il se démonte avec une clé plate classique et peut se remplacer par un flexible équipé de raccords DIN ou ORFS. Les raccords encliquetables Weo de CEJN ainsi que le systèmes de multiconnexion Multi X font également gagner du temps en première monte et en maintenance. Chez Manuli Fluiconnecto, les tuyaux de la gamme Goldeniso sont également conformes à  la norme ISO 18752 ainsi qu’à la SAE 1754. Ils offrent des garanties en termes de durabilité, de fiabilité et de sécurité. Les tuyaux anti-abrasion de ce spécialiste de la connexion de transmission ont quant à eux une durée de vie quatre fois supérieure à celle des solutions standards. Et en limitant d’environ 10 % les pertes de pression, les embouts Interlock Plus de Fluiconnecto permettent de réaliser des gains d’énergie.

Freins « zéro énergie »
Trouver des solutions pour réduire les consommations énergétiques des transmissions fait partie des préoccupations majeures des fabricants de composants. Pour que ses freins ne consomment plus d’énergie lorsqu’ils sont actionnés, KEB a eu l’idée de combiner à des aimants permanents son frein de sécurité à ressort à manque de courant Combistop. Dans sa version standard, le frein en question laisse libre la transmission tant qu’il est alimenté en courant. Quand le conducteur d’engin veut freiner, il suffit de couper l’alimentation et le Combistop bloque la transmission par pression de ressort. Avec l’ajout des aimants, plus besoin de rester alimenté une fois le frein désactivé. Le flux magnétique permanent créé par les aimants suffit à maintenir ouvert le frein. « Nos freins « zéro énergie » sont utilisés sur les véhicules électriques de la société FAM Automobiles » indique Sylvain Barbara, directeur adjoint de la société française KEB.  Siam Ringspann prône quant à lui les systèmes de freinage à commande par câble mécanique qui offrent une fonction de sécurité autonome de toute énergie électrique, pneumatique ou hydraulique. Il a développé tout une gamme avec des freins de parking pour chariots ainsi que des freins de sécurité à serrage par ressort et desserrage par câble. Un avantage non négligeable alors que le prix du pétrole et de ses dérivés ne cesse d’augmenter et que tout le monde cherche à limiter sa consommation.

Récupération d’énergie
D’où le succès des solutions à haut rendement énergétique tel le distributeur Flow-Sharing de Bosch Rexroth. Celui-ci a été introduit dans des pelles compactes de 7 à 9 tonnes dès le milieu des années 90. Aujourd’hui, on le trouve dans des pelles de 1,3 à 12 tonnes. Ce constructeur met également en avant son système de récupération d’énergie au freinage qui occasionne jusqu’à 25 % de réduction de la consommation de carburant et par là même diminue les émissions de CO2. En parallèle, l’usure des freins est réduite jusqu’à 50 %. Utilisé sur les véhicules utilitaires, le HRB (Hydrostatic Regenerative Braking System) de Bosch Rexroth a été testé avec succès sur des véhicules à Berlin et à New York. Il est aujourd’hui fabriquée en série. Lors du freinage, l’énergie cinétique est transformée en énergie hydraulique.

Au lieu d’être éliminée, elle est ainsi stockée puis réutilisée lors de la phase d’accélération du véhicule. Ce qui permet d’alléger le moteur à combustion. Une unité à pistons axiaux hydraulique est reliée par un réducteur à la transmission mécanique du véhicule pour transformer l’énergie cinétique en énergie hydraulique lors du freinage. L’unité à pistons axiaux agit ainsi comme une pompe et exécute cette transformation d’énergie en remplissant un accumulateur à vessie hydraulique avec de l’huile hydraulique. Un boitier électronique commande ce processus en relation avec un bloc de commande de valves hydrauliques. Lors du démarrage, ce processus s’inverse. L’huile sous pression est renvoyée sous le contrôle du bloc commande via l’unité de pistons axiaux. Celle-ci devient alors moteur et transmet sa puissance à la transmission mécanique. Cet entrainement hybride est particulièrement intéressant sur les engins qui freinent fréquemment et de manière prolongée. Plus le freinage est intensif, plus la diminution de la consommation de carburant est élevée. Le système Regen de Poclain Hydraulics fonctionne selon le même principe. Il stocke sous forme d’un volume d’huile l’énergie cinétique lors du freinage et la restitue au démarrage afin de propulser le véhicule ou d’entrainer des accessoires. Le CleanStart de ce fabricant est un système de « Stop And Start » hydraulique pour moteur de cylindrée importante et s’utilise dans des véhicules appelés à s’arrêter fréquemment.

Le cœur du CleanStart est un démarreur hydraulique qui agit par entrainement direct sur le vilebrequin du moteur thermique et permet ainsi un redémarrage ultra rapide. Le moteur thermique peut alors être arrêté dès que le véhicule stoppe. Ce dernier consomme ainsi moins de carburant, n’émet plus de vibration, ni de bruit à l’arrêt et émet moins de CO2 et de particules. 

Electronique embarquée
Si les constructeurs d’engins mobiles sont encore peu nombreux à utiliser ce type de transmission hydrostatique hybride, leur besoin d’économie d’énergie les pousse quand même à utiliser de plus en plus de transmissions de puissance à commande proportionnelle et associées au CAN. Car, comme le dit si justement Frédéric Chalot (Sauer Danfoss), « seule l’électronique embarquée permet d’avoir des transmissions à la fois moins chères et plus efficaces en termes de rapidité, de puissance et de consommation énergétique ». 

Spécialisé dans la transmission de puissance des engins mobiles, JTEKT-HPI intègre ainsi de plus en plus d’électronique dans ses produits et a développé en interne les compétences nécessaires à cette évolution. Dédié à l’entrainement hydrostatique de ventilateurs pour le refroidissement des moteurs thermiques, son système HMC (Hydraulic Motor Control) est équipé d’un système de régulation de sa vitesse de rotation. Il assure ainsi une température optimale du moteur thermique et une diminution du bruit. L’intégration d’électronique et le multiplexage permettent de simplifier la longueur des câbles de commande des engins, de centraliser toutes les commandes de mouvements et de les piloter via un pupitre souvent doté d’un écran tactile. Chacun des calculateurs en charge du pilotage du moteur thermique et des transmissions de puissance hydrauliques dialoguent entre eux via un ordinateur de bord et un bus CAN (Controller Area Network). Ce bus de communication série transporte les données selon un format spécifique. Petits et peu coûteux, les contrôleurs CAN sont faciles à intégrer dans les engins mobiles. Ils permettent de traiter des débits importants de données en temps réel et dans des environnements difficiles. Ce qui rend leur utilisation particulièrement intéressante dans les machines de chantier ou forestières. Disponibles en 16 bit et en 32 bit, les calculateur HY-TTC d’Hydac permettent ainsi de centraliser le pilotage des engins via une unité de contrôle reliée par câblage aux différents capteurs et actionneurs. Les calculateurs peuvent également être installés à proximité des fonctions à contrôler pour limiter la longueur des câbles.

Le pilotage est alors décentralisé. A chaque besoin, sa solution. « Si nécessaire, Hydac fournit une assistance durant tout le cycle de développement de la machine de son client. Ses équipes interviennent de la détermination technique à la mise en service en passant par l’élaboration du logiciel d’application », souligne Philippe Gros, responsable de la division Mobile d’Hydac. Cette entreprise, qui intervient autant dans l’hydraulique et l’électronique de commande que dans le refroidissement des moteurs thermique, veille aussi à la sécurité des conducteurs d’engins mobiles en proposant le montage de capteurs de position spécialement développés pour la détection de fin de course des dispositifs de déplacement.

« Les normes de sécurité imposées aux constructeurs d’engins mobiles sont de plus en plus draconiennes. Aussi, nous demandent-ils de pouvoir vérifier toujours plus de paramètres via notre électronique de commande. Nos calculateurs sont par exemple capables d’interpréter les surpressions qui surviennent dans les transmissions hydrauliques afin de pouvoir stopper la machine en cas de surcharge », explique Philippe Gros. Les engins mobiles sont aujourd’hui truffés de détecteurs en tout genre. Pour le bras de chargement embarqué d’un de ses clients, Schneider Electric a fourni plusieurs capteurs de sa gamme OsiSense qui détectent la position du bras au repos, contrôlent et régulent la pression hydraulique, détectent le déploiement des béquilles et vérifie le positionnement du bras rotatif. Tous ces capteurs se distinguent par leur compacité et leur robustesse. 

Régulation
Le système de régulation récemment conçu par le fabricant de pompes et de distributeurs Salami fait quant à lui varier la vitesse de rotation d’un moteur de ventilateur en fonction de la température du circuit hydraulique de manière à conserver un rapport énergétique optimal. « Nous avons présenté notre solution à Agriteknica, le dernier salon international agricole qui s’est déroulé en Allemagne », indique Eric Pasian, chez Salami. Ce constructeur a également sorti en automne 2011 une gamme de pompes en fonte, la série PG 330 destinée aux applications nécessitant de fortes résistances aux agressions. Disponibles en 23, 28, 34 et 40 cm3,
ces pompes sont testées chez des clients américains. « Ces derniers veulent qu’on étende la gamme jusqu’à 50 cm3, voir 65. Nous allons sans doute le faire d’ici la fin de l’année 2012 », avance Eric Pasian. Salami vient aussi de lancer sur le marché agricole une nouvelle série de pompes en aluminium en vue de concurrencer les produits chinois à bas coût. Simples de conception, déclinées dans un seul standard de fixation et non réversibles, les pompes 2PE sont commercialisées dans plusieurs cylindrées de 4 à 22 cm3. Leur prix est d’environ 20 % plus bas que celui des pompes standard. Elles sont principalement destinées au marché des fendeuses de bois et vendues accouplées à un multiplicateur.

Biodégradabilité
Certains constructeurs n’hésitent pas à payer plus cher leurs huiles, du moment qu’elles sont garanties biodégradables. « Nous avons de plus en plus de demandes en France. En cinq ans nous avons doublé nos ventes », se félicite Patrick Leloutre, chez Panolin, entreprise spécialiste des huiles biodégradables. Cette société sort actuellement un lubrifiant qui répond aux exigences de la norme OECD 301 B faisant autorité aujourd’hui en termes de biodégradabilité et qui est reconnu de qualité alimentaire. Ce lubrifiant sera présenté au salon Intermat. Il devrait être le seul sur le marché à offrir à la fois une biodégrabilité non toxique et un respect de la norme alimentaire NSF H1. La réglementation en France n’oblige toujours pas à utiliser d’huiles biodégradables, même dans les engins mobiles qui sont pourtant souvent en contact direct avec le milieu naturel. « Quand tombera le décret pour l’application en France de la directive européenne concernant la biodégradabilité des fluides en contact avec le milieu naturel, un énorme marché s’ouvrira, surtout dans le domaine des engins mobiles », affirme Laurent Chapelot, directeur général d’IESPM.

Sa société de surveillance de matériels et systèmes hydrauliques par l’analyse des lubrifiants a racheté fin 2011 l’entreprise belge BFB Oil Research spécialisée dans l’analyse des lubrifiants et en particulier dans les essais spécifiques liés aux fluides biodégradables. Avec ce rapprochement, le chiffre d’affaire d’IESPM passe de 4 à près de 6 millions d’euros. Sur un marché en expansion, il existe pour l’instant moins de dix laboratoires indépendants comme celui-ci en Europe dont deux seulement en France qui traitent plusieurs centaines d’échantillons par jour.

Réduction des émissions
Toujours dans un souci du respect de l’environnement, mais cette fois dans le cadre des obligations liées à la phase IIIB de la directive européenne 97/68/CE sur la réduction des émissions de gaz et de particules polluants provenant des moteurs à combustion interne destinés aux engins mobiles non routiers, Kaeser Compresseurs a équipé certains de ses compresseurs d’une SCR (Réduction Catalytique Sélective) par le post traitement des gaz d’échappement. Cette SCR fait appel à un convertisseur catalytique et un à additif liquide à base d’urée, l’AdBlue. Les oxydes d’azote toxiques sont ainsi transformés en azote gazeux.
« L’additif est stocké à bord du compresseur dans un réservoir pour être pulvérisé dans le circuit d’échappement chaud. Nous équipons pour l’instant nos deux plus gros modèles, les Mobilair M250 et M350. Nous lançons les ventes sur le marché au printemps 2012 », indique Jérôme Derderian, responsable projets et réalisations chez Kaeser Compresseurs. Cette modification implique une adaptation du système de contrôle. Lorsque la catalyse ne se fait pas correctement faute d’additif dans le réservoir, le moteur est ralentit automatiquement. Pour continuer à travailler, le conducteur d’engins est contraint de faire le plein en AdBlue. Les conduites sont purgées à l’arrêt pour éviter le gel et la rouille.

Geneviève Hermann