Choix et entretien des tracteurs agricoles by CRAAQ

vi Catalogage avant publication de Bibliothèque et Archives nationales du Québec et Bibliothèque et Archives Canada Tremblay, Yvon Choix et entretien des tracteurs agricoles 2e éd. (La science agricole) “Réalisé avec la participation du Centre collégial de développement de matériel didactique” Comprend des réf. bibliogr. et un index. ISBN-13 : 978-2-921416-75-7 ISBN-10 : 2-921416-75-1 1. Tracteurs agricoles - Entretien et réparations. 2. Mécanique agricole. 3.Tracteurs agricoles - Évaluation. 4. Tracteurs agricoles - Entretien et réparations - Problèmes et exercices. I. Centre collégial de développement de matériel didactique. II. Titre. III. Collection : La science agricole. TL233.2.174 2006 629.28’752 C2006-941952-3

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Choix et entretien des tracteurs agricoles 2e édition revue et corrigée Responsabilité d’édition : Aline Côté Responsabilité du projet pour le CCDMD : Sylvie Charbonneau Révision scientifique : Jean-Luc Leblanc Couverture : Vert Lime Illustrations : Johanne Drapeau et Tommy Sansfaçon Préparation de l’index : Chantal Racicot © Éditions Berger A.C. inc. Tous droits réservés 1233, route 112, Austin (Québec) J0B 1B0 Téléphone : (450) 297-1344 Télécopie : (450) 297-2020 Sans frais : (877) 276-8855 info@editionsberger.com • www.editionsberger.com Dépôts légaux : 2006 Bibliothèque et Archives nationales du Québec et Bibliothèque et Archives Canada Bibliothèque nationale de France et Ministère de l’Intérieur de France

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Table d es m atières 1 LA MÉCANISATION DE L’AGRICULTURE

2 L’HISTORIQUE DES FORCES MOTRICES

CHAPITRE

Introduction...................................................................... 19

Introduction...................................................................... 29

1.1 Mécanisation de la ferme ........................................ 20

2.1 Énergie ....................................................................... 30

1.1.1 Facteurs techniques.............................................. A. Techniques de l’outillage ............................... B. Autres techniques ........................................... 1.1.2 Facteurs matériels................................................. A. Diminution de la population agricole.......... B. Augmentation de la production ................... C. Agrandissement des entreprises agricoles .. 1.1.3 Facteurs économiques.......................................... A. Remplacement de la main-d’œuvre par la machinerie........................................................ B. Augmentation des revenus et outillage....... C. Pression des coûts et des prix........................ D. Revenu agricole et accès au crédit ................ 1.1.4 Facteurs sociaux.................................................... A. Mentalité des agriculteurs ............................. B. Valeurs modernes ........................................... C. Incertitude ........................................................

2.2 Force........................................................................... 30

21 21 21 21 21 22 22 22 22 22 23 23 23 23 23 23

1.2 Effets de la mécanisation......................................... 24 1.2.1. 1.2.2. 1.2.3. 1.2.4.

Techniques de production .................................. Structure matérielle de l’agriculture.................. Incidences économiques...................................... Incidences sur la société agricole ....................... A. Équilibre de la population ............................. B. Effets sur la santé ............................................

24 24 24 24 25 25

1.3 Mécanisation et énergie........................................... 26 1.3.1 Bilan énergétique .................................................. 26 1.3.2 Mécanisation et efficacité énergétique ............... 27

Lectures et références...................................................... 27

2.3 Travail ........................................................................ 31 2.4 Puissance ................................................................... 31 2.5 Force humaine et animale....................................... 32 2.5.1. Énergie humaine................................................... A. Puissance brute................................................ B. Précision et créativité...................................... C. Esclavage et servitude .................................... 2.5.2 Énergie animale .................................................... A. Espèces animales domestiquées ................... B. Puissance des chevaux ................................... a) Domestication de la force animale.......... b) Attelages ..................................................... c) Sécurité........................................................

32 32 32 32 33 33 34 35 35 36

2.6 Autres sources de puissance................................... 36 2.6.1 Énergie éolienne ................................................... 36 2.6.2 Énergie hydraulique ............................................ 37 2.6.3 Électricité ............................................................... 37

2.7 Évolution des moteurs ............................................ 38 2.7.1 Moteurs à vapeur ................................................. 2.7.2 Moteurs à explosion............................................. A. Précurseurs....................................................... B. Beau de Rochas................................................ C. Otto et Clerk..................................................... D. Rudolph Diesel ................................................

38 39 39 39 39 40

2.8 Évolution du tracteur .............................................. 40 2.8.1 Besoin de puissance ............................................. 40

x 2.8.2 Engins stationnaires ............................................. 2.8.3 Locomobiles .......................................................... 2.8.4 Tracteurs à essence de pétrole ............................ A. Débuts............................................................... B. Années folles.................................................... C. Standardisation ............................................... D. Développement du tracteur moderne..........

40 40 41 41 41 41 42

2.9 Tracteurs modernes ................................................. 43 2.9.1 2.9.2 2.9.3 2.9.4 2.9.5

Tracteurs d’usage courant................................... Tracteurs spécialisés............................................. Tracteurs à chenilles............................................. Composantes des tracteurs modernes............... Perspectives d’évolution des tracteurs.............. A. Prix plus abordables ....................................... B. Avenues de développement.......................... C. Tracteurs et ordinateurs ................................. D. Exigences agronomiques et compétition ..... E. Développement d’outils agricoles ................ F. Nouvelles sources d’énergie..........................

43 44 45 45 45 46 46 46 47 49 50

2.10 Exercices .................................................................. 53 Lectures et références...................................................... 53

3.2 Fonctionnement des moteurs ................................. 64 3.2.1 Moteur à quatre temps ........................................ 64 3.2.2 Moteur à deux temps ........................................... 65 3.2.3 Moteur Diesel à deux temps ............................... 66

3.3 Caractéristiques des moteurs ................................. 67 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5 3.3.6 3.3.7 3.3.8

Alésage................................................................... Course .................................................................... Points morts .......................................................... Espace mort ........................................................... Cylindrée ............................................................... Compression ......................................................... Cylindrée et puissance......................................... Couple ....................................................................

67 68 68 68 68 68 68 69

3.4 Moteurs Diesel et à essence .................................... 69 3.5 Synchronisation et séquence d’allumage ............. 70 3.6 Systèmes auxiliaires des moteurs .......................... 71 3.7 Entretien et diagnostic............................................. 71 3.8 Nouveaux moteurs .................................................. 72 3.8.1 StarRotor ................................................................ 72 3.8.2 Quasiturbine.......................................................... 74 3.8.3 Moteur Stirling...................................................... 75

3.9 Exercices .................................................................... 76

3 LES MOTEURS

CHAPITRE

Lectures et références...................................................... 77

Introduction...................................................................... 55 3.1 Moteurs à pistons..................................................... 56 3.1.1 Bloc-cylindres et culasse...................................... 3.1.2 Composantes du bloc-cylindres ......................... A. Cylindres et chemises ..................................... B. Piston ................................................................ C. Segments .......................................................... D. Bielle.................................................................. E. Vilebrequin....................................................... F. Coussinets ........................................................ G. Volant d’inertie................................................ H. Arbre à cames et poussoirs ............................ 3.1.3 Culasse et composantes....................................... A. Joint d’étanchéité............................................. B. Soupapes .......................................................... C. Culbuteurs........................................................ D. Couvercle de la culasse .................................. E. Injecteur de carburant diésel .........................

56 57 57 58 58 59 59 60 61 61 62 63 63 63 63 63

4 L’ALIMENTATION EN AIR ET L’ÉCHAPPEMENT

CHAPITRE

Introduction...................................................................... 79 4.1 Consommation d’air................................................ 80 4.1.1 Rôle de l’air............................................................ A. Combustion d’un litre de carburant............. B. Régime et consommation d’air ..................... 4.1.2 Poussière................................................................

80 80 80 81

4.2 Composantes du système d’alimentation en air .......................................................................... 81 4.2.1 Aspiration de l’air................................................. 82 4.2.2 Dépression et restrictions .................................... 82

4.3 Filtration de l’air....................................................... 83 4.3.1 Préfiltre .................................................................. 83

xi 4.3.2 Filtre principal....................................................... A. Filtre à cartouche sèche .................................. B. Filtres à bain d’huile ....................................... 4.3.3 Filtre de sûreté ...................................................... 4.3.4 Détecteur de colmatage .......................................

C. Filtration de l’huile ......................................... 107 D. Capteur de pression........................................ 107

83 83 85 85 85

5.5 Consommation d’huile............................................108

4.4 Suralimentation ........................................................ 86

5.7 Étanchéité ..................................................................108

4.4.1 Turbocompresseur ............................................... 86 4.4.2 Refroidisseur intermédiaire ................................ 87 4.4.3 Précautions particulières ..................................... 88

5.8 Coussinets et roulements ........................................110

4.5 Système d’échappement ......................................... 89 4.6 Entretien et diagnostic............................................. 89

5.6 Contamination de l’huile ........................................108

5.9 Entretien et diagnostic.............................................112 5.10Exercices ....................................................................113 Lectures et références......................................................114

4.7 Réacteur Pantone ..................................................... 90 4.8 Exercices .................................................................... 92 Lectures et références...................................................... 93

6 LE SYSTÈME DE REFROIDISSEMENT

CHAPITRE

Introduction......................................................................115 5 LE SYSTÈME DE LUBRIFICATION

CHAPITRE

Introduction...................................................................... 95 5.1 Friction....................................................................... 96 5.2 Rôles des lubrifiants ................................................ 96 5.3 Types de lubrifiants ................................................. 97 5.3.1 Huiles ..................................................................... 97 A. Huiles à moteur ............................................... 97 B. Viscosité............................................................ 98 C. Classes de service des huiles à moteur ........ 100 D. Huiles synthétiques ........................................ 101 E. Huiles à transmission ..................................... 102 5.3.2 Graisses .................................................................. 103 5.3.3 Additifs à huiles à moteur................................... 104 A. Améliorants de viscosité ................................ 104 B. Adoucissants des surfaces métalliques........ 105 C. Bouche-fuites ................................................... 105 D. Autres substances ........................................... 105

5.4 Mécanismes de lubrification ..................................105 5.4.1 Barbotage ............................................................... 105 5.4.2 Système de canalisations ..................................... 106 A. Pompe à huile .................................................. 106 B. Refroidissement de l’huile ............................. 107

6.1 Bilan énergétique des moteurs...............................116 6.2 Systèmes de refroidissement ..................................117 6.2.1 Refroidissement par eau...................................... 117 6.2.2 Refroidissement par air ....................................... 118 6.2.3 Refroidissement par huile ................................... 119

6.3 Système de refroidissement par eau .....................119 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.4 6.3.5 6.3.6 6.3.7 6.3.8 6.3.9

Canalisations ......................................................... 119 Thermostat............................................................. 119 Pompe à eau .......................................................... 121 Boyaux.................................................................... 121 Radiateur ............................................................... 121 Bouchon ................................................................. 122 Ventilateur............................................................. 123 Liquide de refroidissement ................................. 123 Additifs .................................................................. 124

6.4 Système d’aide au démarrage ................................125 6.5 Entretien et diagnostic.............................................125 6.5.1 Vérifications de routine ....................................... 125 6.5.2 Préparation pour l’hiver...................................... 126 6.5.3 Vérification de l’étanchéité ................................. 126 6.5.4 Vidange.................................................................. 127 6.6 Exercices ....................................................................127 Lectures et références......................................................129

xii 7 L’ALIMENTATION EN CARBURANT

CHAPITRE

Introduction......................................................................131 7.1 Caractéristiques des carburants .............................132 7.1.1 Contenu énergétique............................................ 132 7.1.2 Carburant diésel ................................................... 132 7.1.3 Essence ................................................................... 134 7.1.4 Éthanol ................................................................... 134 7.1.5 Huiles végétales.................................................... 135 7.1.6 Additifs à carburant diésel.................................. 135 7.2 Composantes des systèmes d’alimentation en carburant ...................................................................135 7.2.1 Réservoir................................................................ 135 7.2.2 Canalisations ......................................................... 136 7.2.3 Pompe d’alimentation ......................................... 136 7.2.4 Filtres...................................................................... 136 7.3 Alimentation en carburant diésel ..........................137 7.3.1 Pompe à injection ................................................. 137 7.3.2 Types de pompes à injection............................... 139 A. Pompe à pistons en ligne ............................... 139 B. Pompe rotative du type Bosh ........................ 141 C. Pompe rotative CAV....................................... 143 Injecteur à carburant diésel................................. 144 Chambre de combustion ..................................... 145 Injection électronique........................................... 146 Injection et pollution ............................................ 149 A. Amélioration du système d’injection ........... 149 B. Amélioration de la chambre de combustion149 C. Amélioration de l’admission d’air................ 149 Nouveaux systèmes d’injection.......................... 150 A. Injection à réserve commune......................... 150 B. Injection électrohydraulique.......................... 150

7.7.3 Additifs à carburant diésel.................................. 156 7.7.4 Purge des lignes de carburant ............................ 156

7.8 Exercices ....................................................................156 Lectures et références......................................................157 8 LE SYSTÈME ÉLECTRIQUE

CHAPITRE

Introduction......................................................................159 8.1 Principes élémentaires de l’énergie électrique.....160 8.1.1 8.1.2 8.1.3 8.1.4

Ampérage .............................................................. 160 Voltage ................................................................... 161 Résistance électrique ............................................ 161 Circuit électrique .................................................. 161 A. Sens du courant électrique............................. 162 B. Circuit en série ou en parallèle...................... 163 C. Lecture des schémas électriques ................... 163 8.1.5 Courant continu.................................................... 164 8.1.6 Courant alternatif ................................................. 164

8.2 Batterie d’accumulateurs ........................................165

7.5 Entreposage du carburant ...................................... 153

8.2.1 Généralités............................................................. 165 8.2.2 Composantes de la batterie................................. 165 8.2.3 Électrolyte.............................................................. 166 A. Réactions chimiques ....................................... 166 B. Densité .............................................................. 167 8.2.4 Caractéristiques d’une batterie........................... 168 A. Ampérage......................................................... 168 B. Voltage.............................................................. 168 C. Capacité de démarrage à froid...................... 168 D. Capacité de réserve......................................... 169 8.2.5 Problèmes de batterie .......................................... 169 A. Sulfatation ........................................................ 169 B. Court-circuit..................................................... 170 C. Charge et décharge rapide............................. 170 D. Autres défectuosités ....................................... 170 8.2.6 Installation d’une batterie ................................... 170 8.2.7 Démarrage-secours .............................................. 171 8.2.8 Règles de sécurité ................................................. 171

7.6 Aide au démarrage ..................................................154

8.3 Système de charge....................................................172

7.3.3 7.3.4 7.3.5 7.3.6

7.3.7

7.4 Régulation du régime du moteur ..........................150 7.4.1 Rôles et fonctionnement ...................................... 151 7.4.2 Régulateurs mécaniques...................................... 151 7.4.3 Régulateurs électroniques ................................... 153

7.6.1 Démarrage par éther ............................................ 154 7.6.2 Bougie de préchauffage ....................................... 154

7.7 Entretien et dépannage ...........................................156 7.7.1 Remplissage du réservoir de carburant ............ 156 7.7.2 Changement des filtres ........................................ 156

8.3.1 8.3.2 8.3.3 8.3.4 8.3.5

Magnétisme et électricité..................................... 172 Génératrice ............................................................ 173 Alternateur ............................................................ 173 Régulateur de charge ........................................... 175 Circuit de charge .................................................. 175

xiii 8.4 Système de démarrage ............................................176 8.4.1 Circuit de démarrage ........................................... 176 8.4.2 Lancement par inertie .......................................... 178 8.4.3 Lancement par solénoïde .................................... 178

8.5 Circuits auxiliaires ...................................................179 8.5.1 8.5.2 8.5.3 8.5.4

Fusibles .................................................................. 180 Éclairage et signalisation ..................................... 180 Indicateurs et commandes .................................. 181 Systèmes électroniques d’information .............. 181 A. Aide à la décision ............................................ 182 B. Aide au diagnostic .......................................... 182 C. Capteurs ........................................................... 182 a) Signaux et capteurs analogiques ............. 182 b) Signaux et capteurs numériques ............. 183 8.5.5 Unités de contrôle................................................. 184 A. Principes du fonctionnement automatique ..................................................... 184 B. Utilisation des unités de contrôle ................. 184 a) Facilitation .................................................. 185 b) Optimisation............................................... 185 c) Protection.................................................... 185

8.6 Entretien et diagnostic.............................................185 8.6.1 Nettoyage de la batterie....................................... 185 8.6.2 Charge de la batterie ............................................ 185 8.6.3 Vérification de la courroie de l’alternateur....... 187

8.7 Exercices ....................................................................187 Lectures et références......................................................188 9 LE SYSTÈME HYDRAULIQUE

CHAPITRE

Introduction......................................................................189 9.1 Principes d’hydraulique..........................................190 9.2 Composantes hydrauliques....................................192 9.2.1 Fluide hydraulique............................................... 193 9.2.2 Réservoir................................................................ 193 9.2.3 Pompes hydrauliques .......................................... 194 A. Pompes à débit constant ................................ 194 B. Pompes à débit variable ................................. 195 9.2.4 Vérins ..................................................................... 197 9.2.5 Distributeurs à tiroir ............................................ 198 A. Distributeur à centre ouvert .......................... 200 B. Distributeur à centre fermé............................ 200 C. Commandes des distributeurs ...................... 200

9.2.6 Soupapes hydrauliques ....................................... 201 A. Soupape de limitation de pression ............... 202 B. Soupape de décharge à pression ajustable............................................................ 202 C. Soupape de contrôle de débit........................ 203 D. Soupape réductrice de pression .................... 203 E. Soupape de priorité ........................................ 203 F. Soupape sélectrice........................................... 204 G. Soupape de retenue ........................................ 204 H. Soupape de décélération ................................ 204 I. Soupape de séquence...................................... 204 J. Répartiteur de débit........................................ 204 9.2.7 Filtre ....................................................................... 204 9.2.8 Moteur hydraulique............................................. 205 9.2.9 Canalisations et raccords..................................... 206 9.2.10 Sorties d’huile ....................................................... 206

9.3 Circuits hydrauliques ..............................................207 9.3.1 Circuit à centre ouvert ......................................... 207 9.3.2 Circuit à centre fermé........................................... 208 9.3.3 Circuit à centre fermé avec capteur de charge.................................................................... 210

9.4 Attelage à trois points..............................................211 9.4.1 Contrôle de la position ........................................ 213 9.4.2 Contrôle de l’effort ............................................... 214 A. Rôle.................................................................... 214 B. Fonctionnement............................................... 214 a) Capteur d’effort au troisième point ........ 214 b) Capteur d’effort sur les bras de tirage.... 215 9.4.3 Autres fonctions hydrauliques ........................... 216 A. Contrôle de la vitesse d’abaissement ........... 216 B. Contrôle de la vitesse de réactiondu contrôle d’effort .............................................................. 216 C. Contrôle de la hauteur des bras de tirage ... 216 D. Contrôle de la position à partir de l’arrière du tracteur........................................................ 216 E. Contrôle du patinage...................................... 216 9.4.4 Catégories d’attelages à trois points .................. 216 9.4.5 Maniement de l’attelage à trois points .............. 217

9.5 Autres systèmes à commande hydraulique .........217 9.5.1 Freins ...................................................................... 218 9.5.2 Direction ................................................................ 218

9.6 Entretien et diagnostic.............................................219 9.7 Exercices ....................................................................220 Lectures et références......................................................221

xiv CHAPITRE

10 LES TRANSMISSIONS

CHAPITRE

Introduction......................................................................223

Introduction......................................................................259

10.1Embrayages...............................................................224

11.1 Freins..........................................................................260 11.1.1 Systèmes de freinage............................................ 260 11.1.2 Frein de stationnement ........................................ 260 11.1.3 Freins principaux.................................................. 261 11.1.4 Freinage des remorques ...................................... 262 11.1.5 Usage des freins.................................................... 263 11.1.6 Ajustement des freins .......................................... 264

10.1.1 Concepts de base .................................................. 224 10.1.2 Évolution des embrayages .................................. 225 10.1.3 Embrayage à disque............................................. 226 A. Embrayage à disque sec ................................. 226 B. Embrayage multidisque humide .................. 229 10.1.4 Commandes de l’embrayage .............................. 230

10.2Boîte de vitesses .......................................................231 10.2.1 Principes de base .................................................. 231 10.2.2 Boîte de vitesses mécanique................................ 232 A. Boîte de vitesses à pignons baladeurs.......... 232 B. Boîte de vitesses à manchon baladeur ......... 234 C. Boîte de vitesses synchronisée ...................... 235 10.2.3 Boîte de vitesses mécanique à commande hydraulique ........................................................... 236 A. Amplificateur de couple ................................ 236 B. Inverseur à commande hydraulique............ 237 C. Boîte de vitesses semi-automatique ............. 238 10.2.4 Transmission hydrostatique ............................... 242 10.2.5 Transmission à variation continue..................... 242 10.2.6 Convertisseur de couple...................................... 245

10.3Différentiel ................................................................246 10.3.1 Fonctionnement .................................................... 247 10.3.2 Blocage du différentiel......................................... 248

10.4Réducteurs finaux ....................................................249 10.5Pont avant motorisé.................................................250 10.6Prise de force.............................................................252 10.6.1 Types de prises de force ...................................... 252 10.6.2 Normes de fabrication ......................................... 253 10.6.3 Développements récents ..................................... 253 10.6.4 Prise de force et sécurité ...................................... 254

10.7Entretien et diagnostic.............................................255 10.8Exercices ....................................................................257 Lectures et références......................................................257

11 LES SYSTÈMES ET ORGANES AUXILIAIRES

11.2 Direction ....................................................................264 11.2.1 Géométrie de la direction.................................... 264 A. Pincement......................................................... 265 B. Angle d’inclinaison du pivot de roue .......... 265 C. Angle de carrosage ......................................... 266 D. Angle de chasse ............................................... 266 E. Angle de braquage des roues ........................ 266 11.2.2 Mécanismes de la direction................................. 266 A. Direction mécanique....................................... 267 B. Direction assistée............................................. 267 C. Direction hydrostatique ................................. 268 11.3 Cabine et tableau de bord .......................................269 11.3.1 Principes d’ergonomie......................................... 270 11.3.2 Agencement des indicateurs............................... 271 11.3.3 Agencement des commandes ............................. 271 11.3.4 Confort et santé du conducteur.......................... 274 A. Siège et cabine.................................................. 274 B. Bruit................................................................... 275 11.4 Carrosserie ................................................................276 11.5 Suspension ................................................................276 11.6 Équipements de sécurité .........................................277 11.6.1 Structure de protection contre les renversements....................................................... 278 11.6.2 Autres systèmes de protection ........................... 278

11.7 Pneus..........................................................................279 11.8 Écartement des roues...............................................280 11.8.1 Écartement des roues pour une charrue portée...................................................................... 281

xv 11.8.2 Écartement des roues pour une charrue semi-portée............................................................ 281

11.9 Boulonnerie.............................................................281 11.10 Entretien et diagnostic ..........................................282 11.11 Exercices ..................................................................283 Lectures et références......................................................283 12 L’UTILISATION OPTIMALE DU TRACTEUR

CHAPITRE

Introduction......................................................................285 12.1Puissance d’un tracteur...........................................286 12.1.1 Puissance à la prise de force ............................... 286 12.1.2 Puissance au moteur ............................................ 287 12.1.3 Puissance à la barre de tirage ............................. 287 12.1.4 Régime du moteur................................................ 289

12.2Traction d’un tracteur..............................................291 12.2.1 Influence du sol .................................................... 291 12.2.2 Résistance à l’avancement................................... 292 12.2.3 Influence des pneus.............................................. 293 A. Nomenclature des pneus ............................... 293 B. Pneus à carcasse radiale et à carcasse diagonale .......................................................... 295 C. Sélection des pneus......................................... 296 D. Pression des pneus.......................................... 300 E. Utilisation de pneus à carcasses différentes 301 12.2.4 Traction et flottabilité........................................... 302 12.2.5 Patinage ................................................................. 302 A. Mesure du patinage ........................................ 303 B. Masse sur les roues motrices et patinage .... 304 C. Calcul du lest ................................................... 304 12.2.6 Roues doubles ou triples ..................................... 306 12.2.7 Roues motrices auxiliaires .................................. 306 12.2.8 Blocage du différentiel......................................... 306 12.2.9 Transfert de masse ............................................... 306

12.3Capacité du champ .................................................. 308 12.3.1 Notion de capacité................................................ 308 12.3.2 Notion d’efficacité ................................................ 308 12.3.3 Facteurs d’efficacité.............................................. 309

A. Entretien de la machinerie ............................. 309 B. Manœuvrabilité de la machinerie................. 309 C. État et forme des champs ............................... 310 D. Conducteur ...................................................... 310 E. Travaux complexes ......................................... 311 12.3.4 Capacité théorique ............................................... 311 12.3.5 Capacité effective.................................................. 311 12.3.6 Dimension des instruments et puissance nécessaire ............................................ 312

12.4Conduite économique .............................................313 12.4.1 Vitesse de travail .................................................. 314 12.4.2 Vitesse et régime du moteur ............................... 314 12.4.3 Planification du travail ........................................ 315 12.4.4 Réglage du patinage............................................. 315

12.5Durée des machines agricoles ................................316 12.5.1 Entretien................................................................. 316 A. Manuel d’entretien.......................................... 316 B. Registres d’entretien ....................................... 316 C. Inspection quotidienne................................... 319 D. Entretien du tracteur et coût d’utilisation ... 319 12.5.2 Analyse des huiles................................................ 319 12.5.3 Entreposage de la machinerie............................. 320

12.6Exercices ....................................................................320 Lectures et références......................................................322

13 L’ÉVALUATION DES TRACTEURS

CHAPITRE

Introduction......................................................................323 13.1Critères d’évaluation ...............................................324 13.1.1 Tracteurs usagés ................................................... 324 A. Machines usagées............................................ 324 B. Recherche d’un tracteur usagé...................... 325 C. Évaluation du vendeur................................... 325 D. Inspection de la machine ............................... 326 a) Coup d’oeil rapide..................................... 326 b) Examen externe approfondi..................... 326 E. Essais du tracteur ............................................ 327

xvi a) Démarrage à froid ..................................... 327 b) Thermostat et système de refroidissement .......................................... 327 c) Émission de fumée .................................... 328 d) Embrayage et freinage .............................. 328 e) Autres vérifications ................................... 328 F. Autres tests....................................................... 329 a) Test du dynamomètre............................... 329 b) Test de compression.................................. 329 c) Test d’usure de la transmission............... 330 G. Considérations générales ............................... 330 H. Valeur d’un tracteur usagé ............................ 330 a) Méthode du CRÉAQ ................................. 330 b) Guide d’évaluation des tracteurs usagés ......................................... 330 13.1.2 Tracteurs neufs ..................................................... 333 A. Compétence du vendeur................................ 333 B. Qualité et durabilité des machines ............... 333 C. Permanence du serice..................................... 334 D. Sservice après garantie ................................... 334 E. Fiches techniques ............................................ 334

13.2Tests objectifs ............................................................334 13.2.1 Historique et visée................................................ 334 13.2.2 Rapports du Nebraska......................................... 335 A. Principales caractéristiques et autres renseignements................................................ 335 B. Puissance à la prise de force .......................... 335 C. Couple à la prise de force............................... 337 D. Puissance à la barre de tirage ........................ 338 E. Mesures du bruit ............................................. 338 F. Essais additionnels.......................................... 339 G. Pneus, masse et lestage .................................. 340 H. Système de relevage ....................................... 340 13.2.3 Rapports de l’OCDE ............................................ 340 A. Prise de force.................................................... 342 B. Élévation du couple ........................................ 343 C. Essais en traction ............................................. 344 D. Système hydraulique ...................................... 345 E. Courbes des essais de l’OCDE ...................... 345

13.3Sélection d’un tracteur ............................................346 13.4Exercices ....................................................................347 Lectures et références......................................................348

14 L’ÉVALUATION DES COÛTS

CHAPITRE

Introduction......................................................................349 14.1Coûts fixes.................................................................350 14.1.1 Dépréciation .......................................................... 350 A. Durée de vie..................................................... 351 a) Vie physique............................................... 351 b) Vie utile ....................................................... 351 c) Vie économique ......................................... 351 B. Amortissement ................................................ 351 C. Inflation ............................................................ 353 14.1.2 Intérêts ................................................................... 354 14.1.3 Remisage................................................................ 355 14.1.4 Assurances et taxes .............................................. 356 14.1.5 Estimation des coûts fixes ................................... 357

14.2Coûts variables .........................................................358 14.2.1 Réparation et entretien ........................................ 358 14.2.2 Consommation de carburant .............................. 360 14.2.3 Consommation de lubrifiants............................. 361 14.2.4 Main d’oeuvre....................................................... 361 14.2.5 Délai d’exécution des travaux ............................ 361

14.3Estimation des coûts................................................362 14.3.1 Coûts de la machinerie achetée à l’état neuf.............................................. 362 14.3.2 Estimation des coûts d’utilisation de machines usagées............................................ 366

14.4Rentabilité d’un tracteur .........................................366 14.5Exercices ....................................................................369 Lectures et références......................................................370 15 L’ACQUISITION D’UN TRACTEUR

CHAPITRE

Introduction......................................................................371 15.1Achat ou échange d’un tracteur.............................372 15.1.1 Puissance supplémentaire................................... 372 15.1.2 Coûts d’utilisation ................................................ 372 15.1.3 Désuétude.............................................................. 373 15.1.4 Fiabilité................................................................... 373

xvii 15.1.5 Usure ...................................................................... 373 15.1.6 Abri fiscal............................................................... 375

15.2Choix d’un tracteur..................................................376 15.2.1 Facteurs techniques.............................................. 376 15.2.2 Facteurs économiques.......................................... 376 A. Coûts comparatifs ........................................... 376 B. Valeur de revente ............................................ 376 C. Capacité de remboursement.......................... 377 15.2.3 Puissance optimale............................................... 377 A. Coûts des retards............................................. 378 a) Facteur de retard (K) ................................. 379 b) Calcul des coûts des retards..................... 379 B. Calcul de la puissance optimale.................... 380 C. Calcul de la largeur optimale ........................ 380

15.3Acquisition et utilisation des machines ................381 15.3.1 Achat .................................................................... 381 15.3.2 Location ................................................................. 381 15.3.3 Contrat à forfait .................................................... 382 15.3.4 Location-vente ...................................................... 383 15.3.5 Acquisition et utilisation collectives.................. 384

15.4Exercices ....................................................................386 Lectures et références......................................................386 Index..................................................................................389

Chapitre LES MOTEURS

INTRODUCTION On appelle moteur tout appareil qui transforme une énergie quelconque en énergie mécanique. Après les moteurs à combustion externe, tels que le moteur à vapeur et le moteur à air chaud, ce sont les moteurs à combustion interne qui ont connu les plus nombreux développements : le moteur à piston (1890), le moteur rotatif Wankel (1956), la turbine à gaz et le moteur à réaction. Plus récemment sont apparus la Quasiturbine (1990) et le moteur StarRotor (2002), qui semblent avoir un avenir prometteur. C’est tout particulièrement le cas du StarRotor, étant donné la simplicité de sa construction et son efficacité énergétique, qui serait de deux à trois fois meilleure que celle des moteurs à pistons conventionnels. On en traitera brièvement à la fin du chapitre.

Chap itre 3

En agriculture, on n’utilise actuellement que le moteur à pistons, autant pour le tracteur que pour les autres machines agricoles. Dans le présent chapitre, on décrit donc d’abord le principe du moteur à pistons et ses composantes, pour ensuite expliquer le fonctionnement et les caractéristiques des moteurs à quatre ou deux temps à essence et au carburant diésel.

couvercle de culasse

culasse

bloc-cylindres

3.1 MOTEURS À PISTONS Le moteur à pistons remonte au XIXe siècle. Il a connu d’importantes améliorations, au point d’être main tenant considéré comme la plus commode et l’une des plus fiables sources de puissance. Son principe est simple: l’explosion d’un mélange précis de carburant et d’oxygène cause une forte pression sur le piston. Une fois déclenchée, l’explosion entraîne le piston dans un mouvement de va-et-vient utilisé à des fins de travail (figure 3.1). Cette combustion produit de la vapeur d’eau, du gaz carbonique et de la chaleur, lesquels contribuent à augmenter la pression dans le cylindre.

carter d’huile

FIGURE 3.2 Composantes de base d’un moteur à quatre pistons

Explosion

bielle

piston

cylindre

FIGURE 3.1 Principe du moteur à pistons

3.1.1 BLOC-CYLINDRES ET CULASSE De conception relativement simple, le moteur à pistons comporte deux parties principales : le bloc-cylindres et la culasse (figure 3.2). Peu importe leur modèle, leurs dimensions ou leur puissance, tous les moteurs à piston sont composés des mêmes pièces, et chacune y joue un rôle spécifique.

Le bloc-cylindres et la culasse ont l’allure de masses de métal plus ou moins grossières et inertes. Quoique robustes, ces pièces sont pourtant sophistiquées. Le bloc-cylindres est une pièce de fonte moulée percée de tubes appelés cylindres, à l’intérieur desquels coulissent les pistons. Il supporte l’ensemble des éléments moteurs. Les pièces qui y sont reliées recueillent et dirigent l’énergie de la combustion, puis la transforment en un mouvement rotatif qui assure la puissance du moteur. Quant à la culasse, aussi appelée tête de moteur, elle contient les pièces qui contrôlent et synchronisent le fonction nement du moteur. Elle surplombe et ferme hermétiquement le bloc-cylindres de manière à ce que la dilatation des gaz pousse les pistons vers le bas. La culasse réunit tous les mécanismes d’alimentation, d’allumage et d’échappement. Des ouvertures y sont pratiquées pour permettre l’entrée de l’air dans la chambre de combustion et l’expulsion des gaz brûlés. Le bloc-cylindres et la culasse forment des enceintes hermétiquement fermées où circule l’huile qui lubrifie toutes les pièces mobiles du moteur (figure 3.3). Le réservoir d’huile est une

Les m o teurs culbuteur cavités de refroidissement

couvercle de culasse

bloc-cylindres

tringle de poussoir

soupape culasse

cuve fixée sous le moteur appelée carter. L’huile est pompée du carter grâce à la pompe à huile et y revient par gravité. Le moteur à pistons comporte un système de refroidissement des pièces les plus exposées à la chaleur. Un mélange d’eau et d’antigel circule sans arrêt dans la partie supérieure du bloc-cylindres, autour des cylindres et à l’intérieur de la culasse. Pour éviter tout contact entre ce mélange et l’huile, les zones parcourues par ces deux liquides doivent être totalement étanches.

3.1.2 COMPOSANTES DU BLOC-CYLINDRES

bielle

piston

cylindre amortisseur de vibration du vilebrequin

axe de piston

pignon de pompe synchronisation à huile ou de distribution

culbuteur orifice d’admission d’air

vilebrequin segments de piston

chapeau de bielle et coussinet

palier du vilebrequin et coussinet volant d’inertie ou volant moteur

couvercle de culasse injecteur culasse

soupape bloc-cylindres cavité de refroidissement cylindre démarreur piston arbre à cames bielle vilebrequin carter d'huile

Les principales composantes du bloc-cylindres sont les cylindres et les chemises, les pistons, les segments, les bielles, le volant d’inertie, le vilebrequin, les coussinets ou paliers antifriction, l’arbre à cames et les poussoirs, la pompe à huile, le carter et les pignons de synchronisation du moteur.

A. Cylindres et chemises Par souci d’économie, les cylindres des moteurs d’automobiles et d’autres moteurs à usage léger sont usinés à même le bloc-cylindres. Soumis à des utilisations plus sévères, les moteurs de tracteurs et de machinerie lourde s’usent plus rapidement. Pour augmenter leur durée de vie et éviter des coûts élevés, on les équipe de chemises qui sont insérées dans les trous du bloc-cylindres aménagés à cette fin et qu’on peut remplacer quand elles sont usées ou endommagées (figure 3.4). Ce concept de construction a été adopté il y a plusieurs décennies. On connaît deux types de chemises : la chemise sèche et la chemise humide.

filtre à huile pompe à huile

crépine

FIGURE 3.3 Moteur Diesel à quatre pistons avec arbre à cames dans le bloc-cylindres (coupe transversale et vue de profil)

La chemise du premier type est dite sèche parce que ses parois n’entrent pas en contact avec le liquide de refroidissement, alors que dans le cas de la chemise humide, les parois extérieures sont refroidies par ce même liquide. Plus épaisse et plus robuste que la chemise sèche, la chemise humide ferme l’espace où

Chap itre 3 cylindre

cavités de refroidissement chemise sèche

bloc-cylindres chemise humide

joint d’étanchéité a) Cylindre alésé à même le bloc

b) Avec chemise sèche

c) Avec chemise humide

FIGURE 3.4 Blocs-cylindres avec cylindre alésé à même le bloc, avec chemise sèche et avec chemise humide

circule le liquide de refroidissement. Son ajustement doit donc être précis. De plus, on doit prévoir des joints d’étanchéité pour éviter des fuites vers l’huile du moteur. En cas de bris majeurs, les moteurs munis de chemises sont plus faciles à réparer.

à une vitesse maximale d’environ 14,4 m/s à la moitié de la course ; il commence ensuite à ralentir pour revenir à une vitesse nulle. Sa vitesse moyenne est de 9,2 m/s. Son accélération moyenne entre le moment où il est arrêté et le milieu de sa course est donc de 2 400 m/s2, soit environ 245 fois l’accélération causée par la gravitation terrestre. Extrêmement rapides et brusques, ces déplacements soumettent le piston à de grandes contraintes mécaniques et thermiques. Le piston doit donc être construit à toute épreuve, à la fois le plus léger possible pour réduire l’inertie et suffisamment robuste pour résister aux pressions et aux températures très élevées auxquelles il est soumis. La figure 3.5 montre le piston d’un moteur à carburant diésel et le piston d’un moteur à essence. On note que le premier est muni d’une cavité spécialement conçue pour optimiser le mélange et la combustion du carburant diésel. cavité servant de chambre de combustion encavures de segments de compression

Qu’ils soient équipés de chemises ou non, les cylindres sont les chambres de compression et de combustion de tous les moteurs à combustion interne. Les pistons y aspirent le mélange d’air et de carburant, puis le compriment jusqu’à ce que le déclenchement de la combustion par une étincelle électrique (dans le cas des moteurs à essence) ou par la chaleur (dans le cas des moteurs Diesel) lui fasse prendre l’expansion qui génère la puissance.

FIGURE 3.5 Piston d’un moteur Diesel à injection directe et piston d’un moteur à essence

B. Piston

C. Segments

Pour ainsi dire sur la ligne de feu, le piston est la première pièce à subir l’explosion des gaz ; il est ainsi directement soumis à la pression et à la chaleur intense de la combustion. De plus, le piston est sujet à des accélérations et des décélérations d’autant plus grandes que le moteur tourne à régime élevé. Par exemple, dans un moteur tournant à 2500 tr/min, dont le piston a 0,055 m de rayon et une course de 110 mm, le piston fait un aller en 0,012 s. Il passe ainsi d’une vitesse nulle

Les segments sont des anneaux métalliques flexibles placés dans des gorges creusées sur le pourtour du piston. Ils ont pour fonction d’assurer la meilleure étanchéité possible des parois du cylindre. Le nombre de segments varie d’un type de moteur à un autre. Les moteurs à essence en comportent généralement trois, deux pour maintenir la compression et l’autre pour racler l’huile. Le moteur Diesel en compte quatre ou cinq, soit trois ou quatre pour la compression et un

encavure du segment racleur d’huile trou d’axe du piston jupe Moteur Diesel

Moteur à essence

Les m o teurs Pression de l’explosion

D. Bielle

tête du piston

chambre de combustion

encavure des segments canalisation pour évacuer l’huile Huile

segments de compression

La bielle est une tige dont une extrémité est fixée au piston par un axe transversal, et l’autre, au vilebrequin (figure 3.7). Comme le piston, cette pièce doit être à la fois légère pour limiter l’inertie de son mouvement et assez résistante pour soutenir et transmettre la poussée du piston.

segment de raclage d’huile

encavures piston

paroi du cylindre

axe de piston circlips

trou d’axe segments du piston

jupe du piston

bague d’axe du piston (sorte de coussinet)

bielle

film d’huile boulon FIGURE 3.6 Segments de compression et de raclage d’huile soumis à la pression de l’explosion

demi-coussinets

racleur d’huile. En fait, le nombre de segments de compression dépend de la pression maximale en phase de combustion. Comme elle peut atteindre des pressions extrêmement élevées, il vaut mieux la répartir sur plusieurs segments pour atténuer l’effort exercé sur chacun, ainsi que pour diminuer l’usure et améliorer l’étanchéité (figure 3.6).

chapeau de bielle

écrou

FIGURE 3.7 Piston et bielle

E. Vilebrequin En plus de maintenir l’étanchéité, les segments transfèrent une partie de la chaleur du piston dans les parois du cylindre. Ils permettent aussi d’assurer la présence d’une pellicule d’huile uniforme à la surface du cylindre. Le segment de raclage enlève le surplus d’huile. Il comporte des fentes qui acheminent l’huile excédentaire vers des trous aménagés au fond de la gorge, d’où elle est évacuée vers le centre de la jupe du piston.

Le vilebrequin convertit le mouvement alternatif des pistons en un mouvement rotatif continu. La figure 3.8 présente un schéma simplifié des diverses parties du vilebrequin d’un moteur à deux pistons. Le vilebrequin tourne sur un axe de rotation constitué de tourillons. Il comporte aussi des bras de manivelle appelés manetons. Les bielles sont fixées à ces manetons, et c’est à ce point qu’elles exercent leur poussée, un peu à la manière du cycliste qui pousse sur les pédales pour faire tourner le pédalier de son vélo.

Chap itre 3

bielle axe de rotation

bielle

maneton tourillon

tourillon

Le vilebrequin est fixé au bloc-cylindres par des tourillons, généralement un par deux manetons pour les moteurs à essence et un par maneton pour les moteurs Diesel à cause de la poussée considérable qui y est exercée par les pistons. De nos jours, le vilebrequin des moteurs Diesel de grande puissance est relié à un système d’amortisseurs de vibrations. Ces derniers compensent les oscillations occasionnées par la forte torsion qu’imprime le piston sur le vilebrequin lors de l’explosion. Atténuant l’amplitude des vibrations, ils augmentent la durée de vie des vilebrequins. Un pignon situé au centre du vilebrequin entraîne le mécanisme d’amortissement.

FIGURE 3.8 Vilebrequin d’un moteur à deux pistons

F. Coussinets Le vilebrequin est conçu pour que les vibrations soient réduites au minimum. Ainsi, la masse des pistons est contrebalancée par des pièces métalliques faisant partie intégrante des manetons. De plus, le vilebrequin doit pouvoir supporter la force de torsion produite par les pistons en phase motrice (explosion). L’angle des manetons est fonction du nombre de pistons (figure 3.9). Pour que la charge soit également répartie sur le vilebrequin, les pistons entrent en action l’un après l’autre.

volant d’inertie

masses d’équilibrage

couronne dentée servant au démarrage manetons

tourillons

axe de rotation

manetons

tourillons

pignon de commande de l’amortisseur de vibration

pignon de distribution

FIGURE 3.9 Vilebrequin d’un moteur à quatre pistons et volant d’inertie

Les coussinets sont des plaquettes de métal qui protègent les manetons et les tourillons. Ils sont incurvés de façon à épouser la forme de ces pièces. Ils sont généralement faits d’une plaquette d’acier recouverte d’un alliage métallique spécialement conçu pour réduire la friction. Appelé régule (babbitt), cet alliage est composé de cuivre, d’antimoine, d’étain et de plomb. Déposé sur les coussinets, il protège toutes les surfaces du vilebrequin et des bielles en mouvement. Avec l’amélioration du vilebrequin, le régule est une des réalisations les plus importantes de l’ingénierie des moteurs. On la doit à plusieurs facteurs tels que: —

l’utilisation d’alliages antifriction plus résistants;

—

une fabrication plus précise des vilebrequins et des coussinets;

—

la mise au point d’un procédé de durcissement de la surface des manetons et des tourillons;

—

l’amélioration des propriétés de l’huile à moteur et du système de lubrification.

La figure 3.10 montre comment on installe les coussinets de bielles et de paliers. Chaque demicoussinet a une petite lèvre d’ancrage qui l’empêche de tourner à l’intérieur du palier. Aujourd’hui, même soumis à des efforts intenses et continuels, les coussinets durent beaucoup plus longtemps qu’auparavant.

Les m o teurs lèvre d’ancrage du coussinet

—

à servir de support à l’embrayage et à transmettre la puissance du moteur;

—

à faire démarrer le moteur grâce à sa couronne dentée.

encoche

H. Arbre à cames et poussoirs chapeau de palier du vilebrequin FIGURE 3.10 Montage d’un coussinet

G. Volant d’inertie Le volant d’inertie est une pièce métallique relati vement lourde fixée à l’extrémité arrière du vilebrequin (figure 3.9). Il sert principalement: —

à emmagasiner l’énergie cinétique lors des temps moteurs (explosion) et à faire continuer de tourner le vilebrequin jusqu’à la prochaine explosion;

—

à régulariser la vitesse de rotation du moteur;

Un moteur ne fonctionne bien que si ses différentes pièces travaillent en étroite coordination. Pour la plupart des moteurs, la synchronisation des différents mécanismes est assurée par l’arbre à cames (figure 3.11). L’arbre à cames porte sur plusieurs paliers et sa rotation entraîne celle des cames, qui assurent le mouvement vertical des poussoirs. C’est une pièce spécifique aux moteurs munis de soupa pes comme on en trouve communément sur les tracteurs, les automobiles et les camions. Les moteurs légers (scies à chaîne, débroussailleuses, etc.) sont plus simples; ils n’ont pas d’arbre à cames. Les trois types de came ont chacun un usage précis. Le premier sert habituellement à actionner les pompes d’alimentation en carburant et les deux autres, à déplacer les soupapes. La plupart des moteurs conventionnels comportent une came du deuxième

a) Arbre à cames tringle de poussoir

tringle de poussoir

poussoir nez de la came

pignon de synchronisation

poussoir

axe de rotation

came axe de rotation de l’arbre à cames soupape ouverte

soupape fermée

b) Mouvement rotatif du poussoir

arbre à cames cames cames

portée de palier

c) Divers profils de cames

FIGURE 3.11 Arbre à cames, mouvement rotatif du poussoir et profils de cames

soupape ouverte

Chap itre 3

type, alors qu’on utilise une came du troisième type pour les moteurs à haut rendement, dont les soupapes ouvrent et ferment plus rapidement. Une came permet de transformer un mouvement rotatif en un mouvement linéaire alternatif. En tournant, le nez de la came déplace un poussoir qui reprend ensuite sa position. L’arbre à cames commande l’ouverture des soupapes au moment exact où leur action est nécessaire. Pour ce faire, il faut que l’arbre à cames soit parfaitement synchronisé avec le vilebrequin. La figure 3.12 montre les marques de calage (synchronisation) qui assurent le fonctionnement précis du moteur. pignon de synchronisation de l’arbre à cames

écrou d’ajustement du culbuteur culbuteur

ressort Air et carburant soupape d’admission

tringle de poussoir

cylindre

poussoir arbre à cames

piston

FIGURE 3.13 Arbre à cames et tringlerie de la soupape

marques de calage

pignon de distribution du vilebrequin

FIGURE 3.12 Calage du pignon de l’arbre à cames et du vilebrequin

La disposition des cames détermine à quel moment se font l’admission et l’échappement dans chaque cylindre, et règle le fonctionnement de plusieurs autres pièces. Sur les moteurs à essence, l’arbre à cames commande le système d’allumage. Pour les moteurs Diesel, le mécanisme d’injection du carburant est synchronisé par l’arbre à cames et fonctionne à la même vitesse que lui. La figure 3.13 montre les diverses pièces du dispositif d’ouverture des soupapes. L’ouverture des soupapes est commandée par la rotation de l’arbre à cames. Le

nez de la came exerce une poussée sur le poussoir qui, à son tour, pousse la tringle qui fait basculer le culbuteur. C’est ce dernier qui commande finalement l’ouverture de la soupape. Par la suite, lorsque la came retourne en position neutre, le ressort tire la soupape vers le haut et l’orifice se referme. De plus en plus, les manufacturiers de tracteurs agricoles optent pour l’arbre à cames en tête, c’està-dire l’arbre à cames situé sur la partie supérieure de la culasse plutôt que dans le bloc-cylindres. On élimine ainsi certaines pièces mobiles, notamment les culbuteurs et les tringles de poussoirs. Les poussoirs sont placés directement sur la queue des soupapes et l’arbre à cames est situé juste par-dessus. Ce montage est plus simple et plus direct. On le retrouve depuis plusieurs années sur les moteurs d’automobiles.

3.1.3 CULASSE ET COMPOSANTES Parce qu’elle surplombe le moteur, la culasse est couramment appelée tête du moteur. Quel que soit le nom qu’on lui donne, cette pièce est très importante.

Les m o teurs

Dans la plupart des moteurs, elle réunit tous les mécanismes d’alimentation, d’allumage et d’échappement, ainsi que les pièces qui contrôlent et synchronisent le fonctionnement du moteur. De plus, elle ferme de façon étanche la partie supérieure des cylindres et force ainsi la dilatation des gaz à pousser les pistons vers le bas. Des ouvertures pratiquées dans la culasse permettent à l’air d’entrer dans la chambre de combustion et aux gaz brûlés d’en sortir.

ferment ces ouvertures selon l’étape de fonctionnement du moteur. À l’ouverture de la soupape d’admission, un tourbillon d’air s’engouffre dans le cylindre (figure 3.14). Ces soupapes sont reliées à des canalisations, les unes amenant l’air (moteurs Diesel) ou le mélange d’air et d’essence (moteurs à essence), les autres servant à acheminer les gaz brûlés vers le silencieux ou le turbocompresseur, s’il y a lieu (chapitre 4).

La culasse est composée des pièces suivantes : le joint d’étanchéité, les soupapes, les culbuteurs, le couvercle de culasse et l’injecteur de carburant diésel.

C. Culbuteurs

A. Joint d’étanchéité Comme il a déjà été mentionné, il est important que les liquides de refroidissement et de lubrification ne s’échappent pas à l’extérieur du moteur. On a donc développé des joints d’étanchéité pour contrer toute fuite possible, notamment entre le bloc-cylindres et la culasse, et entre la culasse et son couvercle.

B. Soupapes Chaque cylindre comprend au moins deux ouvertures, l’une pour l’admission de l’air et l’autre pour l’échappement des gaz brûlés. Les soupapes ouvrent ou

jeu libre entre le culbuteur et la soupape demi-cône coupelle ressort

culbuteur cavité de refroidissement

Air

siège de soupape

tringle de poussoir

cylindre

Air

FIGURE 3.14 Soupape d’admission en position ouverte

Les moteurs à soupapes sont équipés de culbuteurs qui transmettent le mouvement de l’arbre à cames aux cames. Un jeu est normalement requis entre l’extrémité du culbuteur et le bout de la soupape. Quoi que minime, il assure le bon fonctionnement du moteur en compensant l’expansion du métal causée par la chaleur du moteur. Si ce jeu est insuffisant, les soupapes ouvrent trop tôt, chauffent jusqu’à griller, et le moteur perd de la puissance. S’il est trop grand, les soupapes ouvriront en retard et se refermeront trop tôt, réduisant à la fois l’entrée de l’air, la combustion et la puissance du moteur. En outre, si ce phénomène s’étend aux soupapes d’échappement, des gaz brûlés resteront dans le cylindre, ce qui diminuera encore davantage la puissance du moteur. Le réglage du jeu des soupapes se fait au moyen de vis d’ajustement situées sur les culbuteurs.

D. Couvercle de la culasse

guide de soupape

La culasse est fermée à l’aide d’un couvercle. Relativement facile à poser et à enlever, il permet d’accéder aux culbuteurs et à leurs vis d’ajustement.

soupape d’admission d’air

E. Injecteur de carburant diésel L’injecteur garantit l’alimentation du moteur en carburant diésel. Il est ajusté avec une grande précision de manière à fournir tout le carburant que peut brûler l’air poussé dans les cylindres.

Chap itre 3

TABLEAU 3.4 Problèmes courants du bloc-moteur et de la culasse, causes probables et solutions

Problème

Cause probable

Solution

Cognements du moteur

Usure des coussinets ou des paliers Trop de jeu au bout du vilebrequin Chapeaux de palier desserrés Corps étranger dans le cylindre

Réparations majeures à faire effectuer par un mécanicien compétent

Manque de puissance

Soupapes défectueuses Jeu de soupapes incorrect Mauvaise compression (segments usés ou gommés) Calage incorrect de l’arbre à cames

Réparations majeures à faire effectuer par un mécanicien compétent

La plupart des opérations courantes d’entretien des moteurs concernent les systèmes auxiliaires examinés dans les prochains chapitres. Le tableau 3.4 propose tou te fois, exclusivement pour le bloc-moteur et la culasse, les problèmes les plus courants et, en parallèle, les causes probables de ces problèmes et les solutions.

La figure 3.23 présente un aperçu schématique de ce moteur. En principe, il ne comporte que quatre pièces mobiles, soit les parties internes du compresseur et de l’unité motrice. L’air aspiré par le compresseur en sort avec une pression moyenne d’environ 6 atmosphères (600 kPa) ; il est ensuite acheminé vers un échangeur de chaleur pour y être préchauffé par les gaz d’échappement.

3.8 NOUVEAUX MOTEURS Dans le domaine des moteurs, les recherches n’ont jamais vraiment cessé, de sorte que de nombreux principes sont apparus au cours des années. Un des principaux obstacles au progrès provient des sommes d’argent et du temps immobilisés dans des usines, notamment dans des procédés de fabrication et l’éducation de la main-d’oeuvre. L’intérêt économique est un mauvais maître en matière de développement durable. Quoi qu’il en soit, voici quelques modèles de moteurs qui pourraient et devraient prendre le pas sur les technologies rétrogrades du moteur à explosion.

3.8.1 STARROTOR Le moteur StarRotor provient du travail d’une équipe de chercheurs de l’université du Texas, dont Holtzapple est le porte-parole. Son brevet a été enregistré en 2002 (US patent n° 6 336 317). Il est construit à partir d’une pompe et d’un moteur à rotor de la même forme que celle utilisée dans les systèmes hydrauliques.

Le compresseur est conçu pour fournir des pressions variables selon le besoin de puissance. En effet, plus le taux de compression est élevé, plus on peut obtenir de puissance. À la sortie de l’échangeur de chaleur, l’air chaud se dirige vers le brûleur où un injecteur introduit le carburant dont la combustion produit une augmentation considérable de pression. L’enceinte du brûleur de forme tubulaire peut être constituée de céramique, car celle-ci supporte mieux les hautes températures et pollue moins. Tous les avantages de ce moteur sont expliqués au tableau 3.5. Après la combustion, les gaz chauds à haute pression entraînent les rotors de l’unité motrice en prenant de l’expansion. De l’énergie mécanique ainsi produite environ un tiers est utilisé pour actionner le compresseur. Le reste est dirigé vers les diverses fonctions utiles du véhicule : transmission, génération d’électricité et système hydraulique. À la sortie de l’unité motrice, les gaz d’échappement sont encore très chauds, et une partie de cette chaleur est récupérée pour réchauffer l’air venant du compresseur, ce qui améliore l’efficacité de ce moteur. Les gaz refroidis sont ensuite relâchés dans l’air ambiant.

Les m o teurs

TABLEAU 3.5 Avantages du moteur StarRotor

Avantages

Pourquoi De 45 à 60 %, comparé à 15 à 20 % pour les moteurs à essence

Grande efficacité

Peu de pollution

Pas de production de monoxyde de carbone, d’oxyde d’azote et d’hydrocarbures non brûlés

Utilisation de divers types de carburants

Gazoline, propane, gaz nature, kérosène, diesel, huile végétale, alcool, hydrogène, etc.

Coût moindre

Seulement 10 % de pièces mobiles comparativement à un moteur à piston

Absence de vibration

Gaz d’échappement déjà complètement dilatés avant de sortir

Silencieux

—

Longue durée de vie et peu d’entretien

—

Plus compact

Adaptation facile à diverses conditions de puissance et de couple

Deux fois plus petit comparé à un moteur à pistons —

Gaz d'échappement chauds

échangeur de chaleur

Carburant brûleur injection de carburant

Air Vers la transmission

liaison mécanique

stator rotors (2 pièces) compresseur

unité motrice (expansion des gaz) FIGURE 3.23 Fonctionnement du moteur StarRotor

Chap itre 3

Pour créer un processus encore plus efficace, de l’eau atomisée peut être pulvérisée à l’entrée du compresseur pour en assurer le refroidissement. Le compresseur est alors plus efficace.

3.8.2 QUASITURBINE Le nouveau moteur développé au Québec et appelé Quasiturbine se présente extérieurement comme un moteur rotatif, mais sans en présenter les incon vénients. Il cumule en outre les avantages d’une turbine à gaz tout en étant basé sur la progression de patins dans une chambre de confinement inventée par le chercheur québécois, Gilles St-Hilaire. Sa capacité à délivrer un couple important à bas régime permet de réaliser des économies de fonctionnement et augmente le rendement. Comme on le verra au chapitre 10, une boîte de vitesses consomme autour de 10 % de l’énergie fournie par un moteur, et bien souvent davantage. Un couple élevé dès les plus bas régimes permettrait donc de se passer de boîte de vitesses; de ce fait, ce serait aussi le moteur idéal pour entraîner un alternateur d’un véhicule hybride.

Première révolution

Deuxième révolution

Admission et compression

Combustion et échappement

a) Piston à quatre temps

Tout comme le StarRotor, la Quasiturbine occupe un espace restreint. Théoriquement, elle pourrait produire 40 fois plus de puissance pour la même cylindrée lorsqu’elle est actionnée par de la vapeur sous pression ou de l’air comprimé. La figure 3.24 montre une comparaison entre le moteur à pistons à quatre temps et la Quasiturbine. Au cours des deux tours nécessaires à la complétion d’un cycle du moteur à pistons, la Quasiturbine se trouve à passer par huit phases d’explosion (temps moteurs). Notons aussi que la Quasiturbine donne un excellent rendement avec de la vapeur, de l’air comprimé, de l’huile hydraulique (en tant que moteur). On peut aussi concevoir que la Quasiturbine pourrait incorporer les mêmes dispositifs d’alimentations en air et en carburant que le StarRotor, et éventuellement inclure un processeur multicarburant de Pantone (chapitre 4). La Quasiturbine serait le mieux utilisée avec une configuration d’alimentation en air et carburant, comme le StarRotor. Ce serait une erreur que d’en faire un moteur à combustion interne conventionnel. Du côté des points négatifs, on note que la Quasiturbine compte tout de même beaucoup de pièces mobiles, mais certes moins que le moteur à pistons.

bougie

16 détentes / 2 révolutions

8 combustions / 2 révolutions b) Quasiturbine à carburant

c) Quasiturbine à vapeur

FIGURE 3.24 Comparaison entre le piston à quatre temps et la Quasiturbine

Chapitre LE SYSTÈME ELECTRIQUE

INTRODUCTION Les très intéressantes propriétés de l’électricité font qu’elle est souvent perçue comme une énergie haut de gamme, une énergie noble. Elle peut être très aisément trans formée en d’autres formes d’éner gie, le plus souvent sans perte d’efficacité appré ciable, et son utilisa tion très simple et très souple la prête à des usages complexes, tel le contrôle de systèmes parfois très sophistiqués exigeant puissance et précision. De plus, ce contrôle peut la plupart du temps s’exercer en appuyant tout simplement sur un bouton. Mais si la technologie de l’électricité a depuis longtemps marqué le dévelop pement des moteurs des automobiles et autres véhicules routiers, ce n’est que plus récemment qu’elle a été largement appliquée à la conception et à la fabrication des tracteurs de ferme. Les manufacturiers

160

Chap itre 8

de tracteurs ont toutefois rapidement rejoint le peloton, car les machines qu’ils mettent sur le marché de nos jours sont équipées de systèmes électriques et électroniques aussi complexes qu’efficaces. De pair avec le système hydraulique, leur système électrique améliore grandement leur fonctionnement, leur maniabilité et la sécurité de ceux qui les utilisent ou qui se trouvent dans leur environnement.

8.1 PRINCIPES ÉLÉMENTAIRES DE L’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE Des phénomènes électriques sont créés naturellement par les déplacements des électrons d’un atome à l’autre. L’importance de ces déplacements varie grandement d’un corps à un autre. Ils sont inexistants dans les corps dits isolants (verre, céramique, plastiques, bois, etc.), dont les électrons sont à ce point fixés aux atomes qu’ils ne peuvent se déplacer, alors qu’ils sont nombreux et constants dans les corps dits conducteurs, tels le cuivre et l’argent, dont les électrons jouissent d’une grande autonomie cinétique. La nature offre aussi des corps semi-conducteurs dont les électrons peuvent bouger, mais seulement dans un sens ou dans certaines conditions. Mais même si ces déplacements fortuits d’électrons sont très dynamiques, comme dans les conducteurs, ils ne produisent pas de courant électrique. Le courant n’apparaît que lorsque de grandes quantités d’électrons se déplacent dans un seul sens.

Mais pourquoi les électrons et non les protons ? Tout simplement parce que les premiers sont plus petits et plus mobiles que les seconds. Si les électrons se déplacent en très grand nombre, on dit que le courant qu’ils créent est intense, comme on dit qu’il est faible dans le cas contraire. Techniquement parlant, l’intensité d’un courant dépend du nombre d’électrons qui circulent dans un corps (habituellement un fil métallique) dans un temps donné. On exprime cette mesure en ampères (A), du nom du physicien français André-Marie Ampère, qui a étudié l’électricité en relation avec le magnétisme au début des années 1800. Un fil électrique conduit un courant de 1 ampère s’il laisse passer 6,25 × 1018 électrons en une seconde. Les atomes du métal d’un fil électrique sont disposés selon une structure rigide et régulière, dite cristalline, d’où leur solidité. Leurs électrons se déplacent de façon aléatoire quand le fil n’est pas exposé à un champ électrique et dans une direction donnée quand un champ électrique crée un courant électrique (voir la section longitudinale d’un fil métallique à la figure 8.1).

atome

a) Sans champ électrique

8.1.1 AMPÉRAGE Les électrons (particules négatives) et les protons (particules positives) des atomes des corps créent naturellement entre eux un certain champ électrique, mais les déplacements d’électrons qu’entraîne ce champ ne constituent pas pour autant un courant électrique. Ce dernier ne peut être obtenu que par l’action d’une source externe d’énergie, telle une pile, qui utilise l’énergie chimique, ou encore une génératrice ou un alternateur qui transfor me l’énergie mécanique en énergie électrique. Le champ électrique créé par ces appareils oblige les électrons à «voyager» dans les fils.

atome

b) Avec champ électrique FIGURE 8.1 Circulation d’électrons dans un fil

Le systèm e électrique

8.1.2 VOLTAGE On appelle voltage la force électromotrice, c’est-à-dire la force qui crée le déplacement des électrons dans un fil. Par exemple, il existe un champ électrique entre le pôle positif et le pôle négatif d’une batterie, et ce champ exerce une force d’attraction sur les électrons situés au pôle négatif. L’ampleur de cette force est mesurée en volts (V), du nom du physicien italien Alessandro Volta, lequel a inventé la pile électrique en 1800. Plus le voltage est grand, plus le courant est intense. On dit qu’un courant électrique est de 1 volt s’il peut produire un ampère. Comparé à la circulation d’eau dans un conduit, le voltage correspond à la pression exercée sur l’eau. La pression au robinet existe même s’il n’est pas ouvert et elle demeure tant que la source de cette pression n’est pas disparue (pompe, réservoir surélevé, etc.). De même, le voltage d’une batterie d’accumula teurs se maintient tant qu’elle demeure chargée, et ce, même si les deux fils de la batterie ne sont pas reliés.

161

La résistance électrique s’exprime en ohms (Ω), du nom du physicien allemand Georg Ohm qui, en 1827, a explicité les relations entre le voltage, la résistance et le courant sous la forme d’une loi: Voltage = résistance × intensité du courant V=R×I où le voltage est considéré comme constant, et sa résistance (R) et son intensité (I) sont inversement proportionnelles. Selon cette loi, pour un voltage donné, plus la résistance d’un conducteur est élevée, plus le courant électrique est faible. Un conducteur d’une résistance de 1 Ω soumis à une force électro motrice de 1 V laisse passer un courant de 1 A. Par exemple, supposons un élément chauffant qui est soumis à un champ électrique de 12 V et qui laisse passer un courant de 0,5 A, et calculons la résistance du fil chauffant. R = V/I R = 12 V/0,5 A R = 24 Ω

8.1.3 RÉSISTANCE ÉLECTRIQUE On sait que les corps conducteurs ou semi-conducteurs offrent plus ou moins de résistance au passage de l’électricité et aussi que les corps isolants, à cause de leur structure atomique, en bloquent totalement la circulation parce que les électrons y sont pour ainsi dire piégés (figure 8.2). Tout comme un conduit restreint le passage et le débit de l’eau, la résistance du fil ou de tout objet ajouté au circuit diminue l’intensité du courant.

Collision électron piégé par un atome

FIGURE 8.2 Principe de la résistance dans un fil électrique

8.1.4 CIRCUIT ÉLECTRIQUE Un circuit électrique s’établit lorsqu’un courant électrique circule dans un conducteur et retourne à sa source d’émission. La façon la plus simple et sans doute la plus évidente de créer un circuit électrique serait de placer un fil métallique entre les deux bornes d’une batterie. Cette expérimentation est évidemment à déconseiller à cause des dangers qu’elle comporte. Voyons tout de même les résultats qu’elle donnerait. Dans le cas d’une batterie de 12 V et d’un petit fil d’une résistance de 0,1 Ω, le courant serait théoriquement de 120 A (12 V/0,1 Ω), soit d’une intensité telle que le fil tournerait au rouge et fondrait. Et si le diamètre du fil était tel qu’il puisse supporter une telle chaleur, c’est la batterie qui serait en péril. Dans un cas comme dans l’autre, il s’agit d’un courtcircuit et on peut s’attendre à des dommages. Par ailleurs, techniquement contrôlé, ce court-circuit devient un procédé efficace dans le soudage à l’électri-

162

Chap itre 8

cité et, appliqué à des tâches un peu plus délicates et mieux dosées, il assure le fonctionnement des circuits de contrôle et de mesure des tracteurs. La figure 8.3 montre deux circuits (sans court-circuit) dont la différence tient à la façon dont la circulation de l’électricité est assurée. Dans le premier exemple (a), un fil joint le pôle négatif de la pile à l’ampoule et l’ampoule au pôle positif de cette même pile ; dans le second (b), le circuit passe aussi par l’ampoule, mais il retourne à la pile par ce qu’on appelle la masse.

TABLEAU 8.1 Composantes des circuits électriques Composante Mise à la masse

Connexion du circuit à la masse métallique, à tout fil ou substance permettant un retour du courant à la source

Résistance

Restriction du passage du courant

Bobine

Enroulement de fil de cuivre produisant un champ magnétique

Batterie

Accumulateur de la charge électrique

Solénoïde

Bobine utilisée pour attirer un noyau ferreux quand le courant circule, ce qui actionne un mécanisme : ouvrir ou fermer une valve, déplacer un engrenage, etc.

pile

Relais

a) Circuit établi par un fil

pile

b) Circuit établi par une mise à la terre ou à la masse

Description

Symbole

Diode

Dispositif qui, au moyen d'un faible courant, fait passer ou interrompt un courant électrique Ce courant crée un champ magnétique dans une bobine qui attire une pièce mobile vers une pièce fixe; lorsque les deux se touchent, le courant passe entre les points

Semi-conducteur laissant passer le courant dans un seul sens et servant à redresser le courant, c'est-à-dire à transformer le courant alternatif en courant continu

FIGURE 8.3 Schéma d’un circuit électrique

A. Sens du courant électrique Quand le circuit est établi par le biais d’une masse de métal, on dit qu’il y a mise à la masse. Dans le cas des véhicules motorisés et des tracteurs, le symbole de la mise à la masse (tableau 8.1) traduit bien la réalité, car les différents appareils et le pôle négatif de la batterie sont connectés au châssis de l’engin. Le courant est ainsi amené par un seul fil jusqu’à l’appareil qu’on veut faire fonctionner et il retourne à la batterie par la masse qu’est le châssis. On dit alors qu’il y a mise à la masse.

Pendant plusieurs décennies, on a affirmé de manière arbitraire que le courant électrique circulait du pôle positif au pôle négatif. La découverte de l’électron, dont on peut suivre les mouvements, est venue montrer le contraire, à savoir que le courant va du pôle négatif au pôle positif. Dans la pratique, on peut appliquer l’un ou l’autre de ces concepts sans inconvénient, à condition bien sûr de ne pas mêler les deux dans l’établissement du circuit électrique d’un véhicule. Pour la rédaction du présent ouvrage, on a retenu la conception électronique qui veut que le courant

Le systèm e électrique d’électrons se déplace du pôle négatif au pôle positif. À la figure 8.3, la source de courant est une pile électrique. Les électrons se déplacent du pôle négatif au pôle positif en passant par une ampoule, laquelle constitue l’élément de résistance qui limite suffisamment le passage du courant pour éviter un court-circuit. L’énergie électrique se transforme en lumière et en chaleur.

B. Circuit en série ou en parallèle Il existe une multitude de façons d’établir un circuit électrique. On n’a retenu ici que les deux façons les plus courantes, à savoir le circuit en série et le circuit en parallèle. La figure 8.4a illustre un circuit en série, dans lequel le courant passe successivement à travers chaque composante du circuit, soit deux ampoules. Chaque ampoule a sa propre résistance et l’ajout de la seconde ampoule double la résistance totale du circuit et réduit de moitié le passage du courant. Plus concrètement, si un circuit comprend une ampoule dont la résistance est de 5 Ω et qu’on en ajoute une autre d’une égale résistance, la résistance totale du circuit est de 10 Ω (on néglige ici la résistance du fil) et, pour un même voltage, l’intensité du courant est deux fois moindre.

La figure 8.4b présente un circuit établi en parallèle. Chaque nouvelle branche parallèle ouvre une nouvelle voie de circulation au courant électrique et diminue d’autant la résistance totale du circuit. En supposant qu’elle soit capable de maintenir un voltage constant, la pile qui alimente un circuit en parallèle à deux branches doit fournir deux fois plus de courant pour que chaque ampoule fournisse le même éclairage et, dans un circuit à trois branches, trois fois plus de courant. Même si, à l’unité, chaque ampoule a une résistance de 5 Ω, la résistance globale du circuit à trois branches sera divisée par trois, soit 1,66 Ω (5Ω/3). Dit autrement, il passe plus de courant parce que la résistance totale du circuit est plus faible.

C. Lecture des schémas électriques Pour pouvoir lire les schémas de circuits électriques, il suffit de comprendre la logique des symboles gra phiques utilisés pour les tracer. Le tableau 8.1 liste ces symboles ainsi que leur appellation et leur fonction. Pour lire les circuits électriques des tracteurs, il faut savoir localiser, sur le schéma: —

la source de courant (pile ou batterie);

—

les fusibles;

—

les principales lignes d’alimentation des fusibles;

—

le circuit ou l’appareil qu’on cherche à réparer;

—

la ligne qui alimente ce circuit ou cet appareil et le fusible par lequel elle passe, et ce, en prenant soin de noter la couleur des fils;

—

les circuits secondaires liés au circuit à réparer (s’il y a lieu) et comprendre leurs fonctions.

pile

a) Circuit en série

pile

b) Circuit en parallèle FIGURE 8.4 Manières de disposer les composantes d’un circuit

163

Suivre cette procédure permet de localiser assez rapidement la source d’un problème d’ordre électrique. Son application méthodique évite de se perdre dans les détails : il faut partir des causes probables les plus générales et restreindre de plus en plus le champ de la recherche. Une connaissance précise des composantes électriques est certes un atout, mais on arrive généralement à s’y retrouver, du moins dans le cas des circuits simples. S’il s’agit de circuits électroniques complexes, il vaut mieux consulter le concessionnaire.

164

Chap itre 8

8.1.5 COURANT CONTINU

+170

8.1.6 COURANT ALTERNATIF On doit principalement le développement et la diffusion du courant alternatif à Nicolas Tesla, physicien américain d’origine yougoslave. Contrairement au courant continu, qui circule toujours dans un même sens, le courant alternatif circule un moment dans un sens, s’arrête, puis circule dans le sens contraire, répétant ce cycle sans cesse (figure 8.5). Cette oscillation du courant alternatif ressemble à celle du pendule, mais à l’échelle atomique. La figure 8.6 montre que la tension de départ du courant alternatif est nulle, qu’elle augmente ensuite et atteint enfin sa valeur positive maximale, moment où les électrons se

alternateur

FIGURE 8.5 Déplacement et changement de sens des électrons dans un courant alternatif

Voltage (V)

+120

Le courant d’une batterie circule toujours de la borne négative vers la borne positive. Pour cette raison, et aussi parce que son voltage est relativement constant, on qualifie ce courant de continu. Le fonctionnement des machines, agricoles ou autres, repose sur ce type de courant. La batterie est au cœur du système électrique des tracteurs ; elle accumule et distribue à la fois le courant continu qui assure son fonctionnement.

-120 -170

1/120 Temps (s)

1/60

FIGURE 8.6 Tension d’un courant alternatif

déplacent le plus rapidement. Par la suite, la tension diminue, devient nulle de nouveau, puis continue de décroître jusqu’à prendre une valeur négative, après quoi elle revient à zéro. Durant la phase négative, les électrons circulent en sens inverse. Lorsque le courant alternatif domestique est à sa valeur nominale, soit 120 V (240 V en Europe), ses oscillations atteignent en fait une valeur positive de 170 V, et une valeur négative de –170 V. Mais, dans le domaine, on préfère utiliser une valeur équivalente à celle du courant continu, valeur qu’on appelle voltage efficace. Ce voltage peut être mesuré en branchant un voltmètre à une prise de courant domestique. La fréquence d’oscillation du courant domestique se mesure en hertz (Hz), ou nombre d’oscillations par seconde. Il est de 60 Hz en Amérique du Nord et de 50 Hz en Europe. Le courant alternatif offre plusieurs avantages importants sur le courant continu . D’une part, pour un fil d’un calibre donné, il permet de faire passer un courant beaucoup plus intense avec des pertes bien moindres. D’autre part, les alternateurs et les moteurs à courant alternatif sont plus compacts et possèdent plusieurs autres caractéristiques avantageuses. Dans les machines, tels les tracteurs, le courant alternatif est confiné à l’alternateur, où il sera transformé en courant continu avant sa sortie. Cette transformation le rend compatible avec les circuits du tracteur, ce qui lui permet d’assurer la charge de la batterie et l’alimentation du circuit électrique.

Le systèm e électrique

8.2 BATTERIE D’ACCUMULATEURS

2,1 volts

La pile électrique de Volta a beaucoup évolué. Devenue batterie, ou batterie d’accumulateurs, elle a d’abord été trop faible pour actionner un démarreur, puis une fois capable de le faire, trop dispendieuse. C’est à la manivelle que les agriculteurs d’autrefois faisaient démarrer leur tracteur. Mais depuis les années 1950, de nombreux perfec tion nements de la batterie et du démarreur en ont fait des pièces d’équipement standard.

8.2.1 GÉNÉRALITÉS La batterie a d’abord pour rôle d’emmagasiner l’énergie requise pour le démarrage du moteur et le fonctionnement du système électrique, qu’elle doit continuer d’alimenter lorsque l’alternateur ne suffit pas à la demande. La batterie sert aussi à stabiliser le circuit électrique en empêchant de trop grandes fluctuations du voltage. Quoiqu’on ait amélioré différents types de piles, la batterie au plomb est demeurée la norme, autant pour les véhicules automobiles que pour les tracteurs de ferme. Cette faveur tient à son prix abordable et à sa capacité à remplir les diverses fonctions qu’on lui a attribuées.

165

Solution d’acide sulfurique et d’eau électrode(s) de bioxyde de plomb électrode(s) de plomb

FIGURE 8.7 Cellule de batterie

6,3 volts

FIGURE 8.8 Batterie de 6 V constituée de trois cellules en série

8.2.2 COMPOSANTES DE LA BATTERIE Le marché offre des batteries de 6 V et de 12 V, ces dernières étant les plus utilisées. Elles comportent six cellules connectées en série, chacune dégageant normalement un peu plus de 2 V. Une batterie de 12 V est considérée comme complètement chargée lorsque son voltage est d’environ 12,6 V. La figure 8.7 illustre la structure et le fonctionnement des cellules d’une batterie. Chacune comporte plusieurs plaques positives et négatives, les premières composées de bioxyde de plomb (PbO2) et les secondes, de plomb. La figure 8.8 illustre la façon dont les cellules d’une batterie de 6 V sont reliées. Comme dans les batteries de 12 V, les plaques positives alternent avec les plaques négatives, et des séparateurs empêchent que les unes et les autres

ne se touchent (figure 8.9). Les batteries des machines agricoles reposent sur le même principe, sauf qu’on agrandit leur surface de réaction en augmen tant le nombre de plaques. Le plomb est un métal mou qui se déforme facilement. On doit donc accroître la rigidité des plaques à l’aide d’une armature qui collecte le courant et le conduit à la barrette de connexion. La figure 8.10 montre comment l’orientation de l’armature réduit le parcours du courant. L’armature était autrefois composée d’antimoine et de plomb, un alliage qui favorisait l’évaporation et l’électrolyse, donc une plus grande consommation d’eau. L’arma ture des batteries sans entretien actuelles est principalement constituée d’un alliage de plomb, de

166

Chap itre 8 plaques positives

part et d’autre, leur surface comporte des nervures et on les perce de trous minus cules. Le liquide des cellules peut ainsi circuler et, s’il se forme des bulles de gaz, elles peuvent s’échapper. Les éléments internes des batte ries, notamment les plaques, sont plutôt fragiles. Un choc même léger peut les endommager. Il faut donc manipuler et transporter les batteries avec grand soin. Une chute, même d’une faible hauteur, peut leur causer de graves dommages.

barrette de connexion

séparateurs plaques négatives FIGURE 8.9 Alternance des plaques positives et des plaques négatives dans une batterie de 12 V

Les batteries de ferme sont plus résistantes que celles des automobiles. Leur armature est plus robuste et les plaques sont plus épaisses et de meilleure qualité. Ainsi, quoiqu’elles présentent les mêmes caractéristiques que les batteries moins dispendieuses, elles sont normalement plus durables.

8.2.3 ÉLECTROLYTE armature attache de la barrette

On appelle électrolyte le liquide contenu dans les cellules de la batterie ; il est normalement composé de 64% d’eau distillée ou déminéralisée et de 36% d’acide sulfurique. On utilise de l’eau distillée ou déminéralisée parce que l’eau du robinet est riche en minéraux qui interfèrent avec le fonctionnement de la batterie et diminuent sa durée.

A. Réactions chimiques plaque négative (Pb)

séparateur (plastique)

plaque positive (PbO2)

FIGURE 8.10 Plaques de plomb de la batterie

calcium, de cadmium et de strontium; cet alliage réduit le risque d’une décharge spontanée et diminue de 80% l’évaporation d’eau. De plus, les batteries gardent leur charge de 3 à 4 fois plus longtemps. Si les plaques positives touchaient les plaques négatives, des courts-circuits se produiraient. On isole donc les plaques de pôles opposés par des séparateurs. Mais comme ces derniers doivent laisser circuler les ions de

Lorsqu’on connecte un appareil électrique au pôle positif d’une batterie, l’acide de l’électrolyte réagit avec le plomb des plaques positives et négatives et provoque la circulation d’électrons. Cette réaction s’exprime par la formule chimique suivante: 2 Pb + 2 PbO2 + 7 H2SO4 + 16 H2O Pb + 2 PbSO4 + PbO2 + 5 H2SO4 + 18 H2O L’acide sulfurique réagit avec les matériaux des deux plaques en même temps et cette réaction entraîne la production de sulfate de plomb, qui entraîne à son tour une diminution de la concentration de l’acide de l’électrolyte. L’oxygène contenu dans la plaque positive sous forme de PbO2 est déplacé par l’ion SO4. Cet oxygène se combine ensuite avec l’hydrogène pro venant de

Le systèm e électrique l’acide et forme de l’eau. Il est donc normal qu’une batterie déchargée contienne moins d’acide et plus d’eau qu’une batterie chargée. Au moment de la recharge, la réaction chimique se fait en sens inverse : l’acide sulfurique se recompose et les plaques de plomb négatives et positives retrouvent leurs compositions respectives initiales.

B. Densité La densité de l’eau pure (sans minéraux ni impuretés) est de 1 g/mL, et celle de l’acide sulfurique pur, de 1,835 g/mL. Lorsque la batterie est chargée, la densité de l’électrolyte est de 1,280 g/mL. On peut la mesurer avec un hydromètre à batterie (figure 8.11). Comme la quantité d’acide diminue à mesure que la batterie se décharge, la densité de l’électrolyte indique bien l’état de la charge. Cette mesure permet aussi d’évaluer l’état de chaque cellule. Le tableau 8.2 indique, pour divers niveaux de charge d’une batterie, la densité de l’électrolyte, ainsi que le voltage et le point de congélation correspondants. Une batterie déchargée entreposée dans un endroit non chauffé risque de geler à –5°C.

167

TABLEAU 8.2 Caractéristiques d’une cellule à différents niveaux de charge

Niveau de charge (%)

Densité relative (g/ mL)

Voltage de la cellule (V)

Point de congélation (°C)

100

1,280

2,2

– 67

1,230

2,1

– 51

1,200

2,0

– 29

1,170

1,9

– 18

1,140

1,7

– 10

1,100

—

–5

Pour bien évaluer la densité de l’électrolyte, il faut tenir compte de sa température (figure 8.12). La mesure de À –20 º C

À 20 º C

À 50 º C

FIGURE 8.12 Lectures d’hydromètre à diverses températures

poire de caoutchouc

cylindre d’échantillonnage échelle graduée

hydromètre électrolyte de la batterie tube de prélèvement

FIGURE 8.11 Hydromètre à batterie

l’hydromètre n’est rigoureusement exacte qu’à 20 °C. Lorsque la température est plus élevée, la densité de l’électrolyte est plus basse et il faut soustraire 0,010 pour chaque tranche de 14 degrés au-dessus de 20 °C. Si, au contraire, la température est inférieure à 20°C, il faut ajouter 0,010 pour chaque tranche de 14 degrés audessous de 20 °C. Même déconnectée, une batterie se décharge lentement, principalement à cause des fuites internes de courant, qui sont d’autant plus grandes que la température du lieu d’entreposage est élevée. Mais, même à basse température, il suffit de quelques mois pour qu’une batterie entreposée soit complètement déchargée. Pour éviter qu’elle ne se décharge trop rapidement, on recommande de l’entreposer au frais, d’en vérifier la charge périodiquement et de la recharger au besoin.