Le vérin à gaz et son fonctionnement
Le vérin à gaz est composé d’un cylindre en acier contenant du gaz (azote) sous pression et d’une tige qui glisse dans le cylindre à travers une bague d’étanchéité.
Le gaz en se comprimant pour l’entrée de la tige restitue une poussée en se comportant comme un ressort. Par rapport aux ressorts mécaniques traditionnels (aussi bien ceux hélicoïdaux, à cloche, en caoutchouc), les vérins à gaz ont une courbe de force presque plate même pour les courses très longues. Ils sont utilisés dans tous les cas où il est nécessaire d’obtenir une poussée proportionnée au poids à soulever ou déplacer, ou compenser le levage d’appareils mobiles et lourds.
Les applications les plus diffuses sont visibles sur les portières de véhicules, sur les carters de protection de machines industrielles, sur les portes de meubles, sur les appareils médicaux et pour le fitness, sur les rideaux et les couvertures motorisés, sur les fenêtres de mansardes avec ouverture relevable, à l’intérieur des comptoirs de vente des supermarchés et boucheries.
Le vérin à gaz, dans sa version la plus simple, est composé d’un corps cylindrique (C) et d’une barre en acier rectifiée (S) dénommée tige, à l’extrémité de laquelle est accroché un piston (P), qui accomplit des cycles de compression et extension du corps (C) à travers un guidage étanche. Le corps contient du gaz azote sous pression (indiqué par les flèches) et de l’huile (O). Pendant la phase de compression, le gaz, à travers quelques passages présents sur le piston (F), passe de la partie inférieure du piston (B) à la partie supérieure (A).
Pendant cette phase, la pression à l’intérieur du cylindre, par effet de la diminution de volume disponible due à l’entrée de la tige dans le cylindre, augmente en générant une augmentation de la poussée (progression).
En intervenant sur la section des passages (F), il est possible de régler le flux de passage du gaz en déterminant une vitesse de glissement de la tige plus ou moins élevée, en intervenant sur les différentes combinaisons de diamètre corps/tige, sur les longueurs et sur la quantité d’huile on modifie la progression.
La température
La température d’utilisation influence la poussée du vérin à gaz en répandant ou contractant l’azote contenu dans le cylindre.
Étant donné que la variation s’effectue avec un volume constant, l’expansion ou la contraction fait augmenter ou diminuer la pression interne. La force de poussée du vérin à gaz varie pour chaque °C dans la mesure de 0,36% (tous les 10°C dans la mesure de 3,6%).
Exemple : en considérant une température d’utilisation standard égale à 20°C et une force F1=100N, à 30°C F1=103,6N et ainsi de suite.
Action freinante
Dans le cylindre du vérin à gaz est introduite une certaine quantité d’huile qui, en plus de garantir une lubrification des joints d’étanchéité, en s’interposant entre piston et guidage, a une action de ralentissement pendant la phase d’extension de la tige en fournissant un mouvement plus doux et sans sursauts.
Dans les vérins hydrauliques, on exploite l’effet freinant de l’huile pour ralentir par ex. une porte en chute. (dans ces cas le ressort peut ne pas contenir d’azote sous pression).
Les applications à ressort horizontal, les applications dans lesquelles le ressort est appliqué avec la tige plus haute par rapport au corps (déconseillées), les applications dans lesquelles le ressort se rabat par effet des points de fixation (par ex. coffre arrière des voitures) ne ressentent pas de l’effet freinant de l’huile et nécessitent par conséquent de l’évaluation d’un produit alternatif (vérin à gaz à freinage dynamique).
La poussée et sa mesure
La poussée d’un vérin à gaz est déterminée par la pression que l’azote, introduit dans le corps cylindrique, exerce sur la section de la tige.
En assemblant des tiges de section plus ou moins grande avec des corps d’un volume opportun, en agissant sur la pression d’entrée du gaz, en réglant les passages présents sur le piston ou en introduisant plus d’huile, il est possible d’obtenir, en plus des forces souhaitées, différentes configurations de fonctionnement du vérin à gaz afin de satisfaire les amples exigences de l’utilisateur.
Comment mesurer la poussée d’un vérin à gaz
La force de poussée (F1) du vérin se mesure avec un dynamomètre spécial à une température ambiante d’environ 20°C avec la tige comprimée d’environ 10 mm et sans frictions des joints ; elle est exprimée en N (Newton) et est une valeur statique (FS) à laquelle en général on se réfère pour définir les caractéristiques d’un vérin.
D’autres composants interagissent avec cette donnée de base et sont surtout relevés pendant la phase “dynamique” du vérin. Nous nous référons en particulier aux frictions produites par les joints d’étanchéité et par les guidages de support de la tige. La résistance exercée par les frictions agit dans le sens opposé à la direction de mouvement de la tige, elle peut avoir une valeur variable de 20 à 50 Newton et s’ajoute ou se soustrait à la poussée “statique”.
Dans le graphique, la force en fermeture F3 et la force en ouverture F1 sont exprimées. On remarque comment F3 et F1 sont respectivement supérieure et inférieure à la ligne qui identifie la force de poussée statique FM. Cette différence est la friction qui est indiquée avec FR. La différence entre F2 et F1 est la progression du vérin à gaz.
Calcul de la force
Formule pour le calcul de la force d’un vérin à gaz en fonction de l’application
F1={[( M x D) : L] : nm } + (10% ~ 15%)
F1 : Force de poussée du vérin qui s’oppose au poids de l’objet à déplacer désigné comme vecteur ; dans ce cas F1, qui est exprimé en kg, doit être transformé en Newton et cela s’obtient en multipliant la valeur obtenue par 9.81.
M : Poids en kg de l’objet à soulever désigné comme vecteur.
D : Distance en mm mesurée à l’horizontale entre le barycentre B et le point de rotation O.
B : Point d’application du poids de l’objet à soulever, celui-ci correspond au Barycentre.
O : centre et point de rotation de l’objet mobile.
L : Longueur en mm du bras de travail du vérin à gaz ; correspondant à la distance la plus courte entre l’attache S ou l’attache C et le centre de rotation O ; la plupart des fois, elle est égale à la course du vérin à gaz, dans tous les cas elle ne peut pas être supérieure à cette dernière.
S : Point d’attache du vérin à gaz sur la partie fixe.
C : Point d’attache du vérin à gaz sur la partie mobile.
nm : Nombre de vérins à utiliser dans l’application (1 ou 2 ou plus).
La majoration de 10~15% de la force ainsi calculée est due au fait que le vecteur de la poussée du ressort n’est pas parallèle à la direction du vecteur poids de l’objet à soulever et pour compenser toute friction présente dans le système qui diminue l’efficacité de la poussée du ressort.
Quelques exemples
Exemple 1
Dans cet exemple (application typique du vérin à gaz pour le levage de portes et portières) il est conseillé de fixer le point S en le fixant en retrait de 30/40 mm par rapport au bord du meuble/niche afin d’éviter que la porte ne cogne lors de la fermeture.
Exemple 2
Dans le cas d’applications telles que celle avec ressort horizontal, le point d’attache S doit permettre au ressort de maintenir, dans la position de totalement fermé, une inclinaison vers le bas au moins égale à 10°, cela afin de pouvoir exploiter le ressort aussi pour accompagner sans battements la chute du couvercle.
Dans ce cas, le résultat F1 doit s’entendre comme F2 (force en position de totalement fermé). Et le résultat obtenu doit être divisé par le facteur d’augmentation de la poussée. En outre, le facteur de correction de 10/15% ne s’applique pas dans ce cas-là.
Exemple 3
Dans cet exemple (application typique sur portières de voitures) la figure montre le ressort avec la tige tournée vers le haut. L’application est correcte car le ressort, avec portière fermée, a la tige inclinée vers le bas.
Conseils pour une application correcte
La longue durée dépend de la correcte lubrification des joints d’étanchéité. Pour cela, le ressort doit toujours être installé avec la tige tournée vers le bas ou avec le guidage de la tige à un niveau plus bas que l’attache du corps cylindrique.
Dans certaines applications (par ex. ouverture de coffres de voitures), le mouvement d’ouverture du vérin à gaz pourrait faire tourner le ressort sens dessus dessous entre la position de totalement ouvert et totalement fermé (ex. page 10). Même dans ces applications, il faut considérer de positionner le vérin à gaz avec la tige tournée vers le bas lorsqu’il est dans la position de totalement fermé avec la tige comprimée dans le cylindre. La position conseillée facilite la lubrification du guidage et des joints.
La surface de la tige est importante pour l’étanchéité de la pression du gaz. Pour cela, elle ne doit entrer en contact ni avec des corps contondants ou abrasifs ni avec des substances chimiques corrosives. Le vérin à gaz doit être appliqué en alignant l’attache supérieure et inférieure pour ne pas soumettre à un stress le joint. L’alignement doit être maintenu pendant toute la course de la tige. Si cela n’est pas possible, il faut utiliser des attaches pivotantes en permettant l’alignement.
Des vibrations présentes dans l’application peuvent se décharger sur les joints d’étanchéité à travers des attaches reliées au châssis de manière trop rigide, laisser un peu de jeu entre les vis de fixation et les attaches ou bien fixer le ressort en utilisant au moins une attache pivotante.
Il est recommandé de fixer les ressorts avec des broches lisses et non pas avec des boulons filetés car la tête du filet en contact avec le trou de l’attache exerce une friction qui peut entrer en contraste avec le correct fonctionnement du vérin à gaz.
L’application du vérin à gaz doit être effectuée en évitant que les forces de traction soient supérieures à la force de poussée du vérin à gaz, de cette manière la vitesse normale de glissement de la tige n’est pas dépassée.
La température d’utilisation est -30° +80° C. Pour des applications avec des températures supérieures (jusqu’à 200°C), demandez la configuration pour haute température.
Les condensations et les basses températures peuvent produire de fines couches de glace sur la tige ; l’existence de cette condition peut compromettre la vie du vérin à gaz.
Le vérin à gaz est conçu et fabriqué pour alléger ou compenser un poids différemment lourd pour l’usager ou pour la structure où il est inséré. Toute utilisation ultérieure et anormale (amortisseur, décélérateur, fin de course) doit être attentivement évaluée par le concepteur et les fabricants aussi bien pour ce qui concerne la durée dans le temps que pour la sécurité.
Au cas où le ressort resterait inutilisé pendant de longues périodes de temps, des phénomènes de collage des pièces pourraient se vérifier. Il est recommandé d’effectuer quelques cycles lentement avant une utilisation régulière.
Application correcte
Application erronée
Informations concernant l'élimination
Attention : de l’azote sous pression est présent dans le cylindre d’un vérin à gaz !
La pression de charge d’un vérin à gaz neuf atteint des valeurs très élevées, les cylindres de vérins à gaz ne doivent par conséquent pas être coupés ni avec des scies, ni avec des burins, ni avec des machines pour l’extirpation de copeaux car ceux-ci pourraient exploser avec conséquente projection d’éclats et blesser gravement ceux qui se trouvent aux alentours. Pour démanteler le vérin à gaz, il est nécessaire de suivre la procédure indiquée.
Comment démanteler un vérin à gaz
Se procurer des protections pour le visage et les mains adéquates ;
Prendre le vérin à gaz à démanteler et s’assurer que la tige soit totalement en dehors et, après l’avoir fixé de manière sûre sur un étau de perceuse, perforer le cylindre en utilisant une pointe ayant un diamètre compris entre 1 et 2 mm. (des pointes plus fines en cas de rupture pourraient être projetées par le gaz en sortie du trou) ;
Le cylindre doit être perforé à une distance d’environ 5 mm de l’attache inférieure ;
Perforer lentement afin d’évacuer les copeaux et, dès que la paroi du cylindre sera percée, le gaz contenu dans le cylindre sortira rapidement. Étant donné qu’un vérin à gaz pourrait contenir de l’huile, faire particulièrement attention aux brouillards huileux ;
Étant donné que dans le guidage sont contenus deux joints formant une petite chambre étanche avec possibilité de contenir du gaz sous pression, perforer aussi cette zone en utilisant les mêmes précautions reportées ci-dessus ;
Enfin, vider l’huile contenue dans le cylindre dans des conteneurs prévus à cet effet qui devront être éliminés auprès des centres préposés ou dans des lieux prévus à cet effet conformément aux lois nationales.
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