CHAPITRE III : Les circuits de transmission de puissance

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MENECEUR .N
III.1 Introduction
Dans ce type des circuits, une pompe de type volumétrique entraînée par un moteur génère une
puissance hydraulique (un débit d’huile sous pression). Cette puissance est transmise à un récepteur
hydraulique (vérin ou moteur hydraulique) pour le transformer en puissance mécanique.
Ce type de circuit est caractérisé par des pressions importantes (suivant le besoin) et des débits faibles à
moyens. puissance (w) = Pression(Pa) x débit(
m3
s
).
III.2 Description générale
Un circuit d’hydraulique industrielle est constitué de 3 zones :
 1ere zone : Source d’énergie : c’est un générateur de débit. (Centrale hydraulique)
 2ème zone : Récepteur hydraulique : transforme l’énergie hydraulique en énergie mécanique. (Vérin,
moteur hydraulique)
 3ème zone : liaison entre les deux zones précédentes.
On peut trouver dans cette zone :
- des éléments de distribution (distributeur)
- des éléments de liaison (tuyaux)
- des accessoires (appareils de mesure, de protection et de régulation)
La transmission de puissance par les circuits hydrauliques est très utilisée dans l’industrie. Parmi les
avantages et les inconvénients de ce type de transmission, on cite :
- Encombrement réduit.
- Durée de vie élevée.
- Facilité de réglage (ex : réglage de vitesse par action sur le débit).
- Possibilité de transmettre des puissances très élevées.
- Prix élevé.
- Rendement faible.
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a)- Composition d’un circuit hydraulique :
Exemple d’un circuit hydraulique de transmission de puissance.
1- Réservoir. Pour  Stocker le fluide.
2- Pompe hydraulique. Pour  Générer la puissance hydraulique.
3- Moteur électrique. Pour  Actionner la pompe.
4- Distributeur. Pour  Distribuer la puissance hydraulique au vérin.
5- Vérin double effet. Pour  Transformer la puissance hydraulique en puissance mécanique.
6- Accumulateur. Pour  Stocker l’énergie hydraulique.
7- Régulateur de débit. Pour  Régler le débit et la vitesse du fluide.
8- Vanne. Pour  Autoriser ou interrompre le passage du fluide.
9- Limiteur de pression. Pour  Protéger l’installation contre les surpressions.
10- Filtre. Pour  Nettoyer l’huile.
11- Manomètre. Pour  Mesurer la pression.
12- Débitmètre. Pour  Mesurer le débit.
13- Clapet anti-retour. Pour  Autoriser le passage du fluide dans un seul sens.
b)- Centrale hydraulique :
Elle est constituée essentiellement d’un réservoir d’huile, d’un moteur et d’une pompe
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La centrale hydraulique (appelé aussi groupe hydraulique) est un générateur de débit et pas de pression.
La pression augmente lorsqu’il y a résistance à l’écoulement. Une centrale hydraulique doit contenir aussi
d’autres composants (filtre, limiteur de pression, manomètre, …)
Limiteur de
pression
Manomètre
Manomètre
Pompe
Moteur
Filtre
Réservoir
Compositions d’une centrale hydraulique.
b-1). Le réservoir : est utilisé pour le stockage d’huile et d’assurer l’alimentation de la pompe. Il
permet aussi le refroidissement, la décantation (séparation des liquides et des solides) et les dés
émulsion de l’huile (séparation de gaz).
Symboles :
Réservoir à pression
Réservoir sous pression
atmosphérique
Tuyauterie partant d’un
Tuyauterie immergée
réservoir en charge
Tuyauterie au-dessus
du niveau de l’huile
b-2). Le filtre : La plupart des pannes qui surviennent dans un système hydraulique proviennent du
mauvais état de l’huile. La présence des impuretés dans l’huile entraîne une usure excessive des
composants du circuit. Le filtre élimine ces impuretés.
 Positions des filtres dans l’installation : Il y a plusieurs possibilités d’installer les filtres dans les
circuits hydrauliques. Il est possible de combiner plusieurs de ces possibilités :
 A l’aspiration : le filtre est installé avant la pompe, ce filtre est appelé crépine.
 Avantage : Tout le circuit est protégé, pompe comprise.
 Inconvénient : Augmentation de la perte de charge à l’aspiration. La maille de celui-ci ne peut
être très fine.
 Au refoulement : Le filtre est installé après la pompe.
 Avantage :
-
Tout le circuit est protégé,
3
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-
La maille du filtre peut être très fine.
-
La perte de charge étant indifférente.
 Inconvénient :
- La pompe n’est pas protégée.
- Les parois des filtres doivent supporter la pression du circuit, ce qui donne des filtres
volumineux.
-
lourds et chers.
 Au retour : Le filtre est installé sur les canalisations de retour d’huile.
 Avantage :
- La perte de charge étant indifférente.
- La maille du filtre peut être très fine.
- La pression étant faible.
- Les filtres sont plus légers et moins chers.
 Inconvénient :
-
Le circuit doit être confiné (Enfermée).
-
Ils doivent être protégés contre le colmatage.(bouchage).
Symboles :
Filtre à purgeur
Filtre avec indicateur
de colmatage à
contact
Filtre protégé contre
le retour de l’huile
Filtre avec by-pass
incorporé
Filtre avec by-pass
incorporé, élément
magnétique et
indicateur de
pollution
b-3). Limiteur de pression : Il est appelé aussi soupape de sûreté. Son rôle est de protéger la pompe et
les composants de circuit contre les surcharges. Il doit être toujours monté en dérivation avec le circuit.
Il est fermé au repos et lorsqu’il y a surcharge (la pression à la sortie de la pompe est supérieure à celle
de réglage), il s’ouvre et laisse passer l’huile au réservoir.
Symbole :
Vers le réservoir
De la pompe
b-4). Régulateur de pression : il permet de limiter à une valeur constante et inférieure à la pression
de service, la pression dans une branche du circuit.
4
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Symbole :
Membrane
(joint spéciale)
Réglage
b-4). Manomètre : Il permet la visualisation de la valeur de pression à fin d’assurer le réglage. Les
pompes utilisées dans les circuits d’hydraulique industrielle sont de types volumétriques.
Symbole :
b-5). Moteur : entraîne l’arbre de la pompe en rotation. Il est électrique pour les installations fixes et il
est thermique pour les installations mobiles.
Symbole :
M
III.3 Les pompes volumétriques
a)- Mise en situation :
Par quel moyen peut-on déplacer de l’huile industrielle sous pression afin de commander un organe
récepteur d’une installation hydraulique?
Fluide en repose à
pression normale
b)- Description :
?
Fluide en
mouvement sous
pression
La solution
mettre une pompe
volumétrique
Une pompe volumétrique transforme l’énergie mécanique en énergie hydraulique, elle aspire l’huile
contenu dans le réservoir puis le refoule sous pression dans les tuyauteries.
Une pompe volumétrique est constituée :
- D’un corps fixe ou Stator,
- D’un ou de plusieurs éléments mobiles participant au déplacement du fluide à l’intérieur de la
pompe, d’autres éléments mobiles destinés à mettre en mouvement les éléments précédents.
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b)- les différents types des pompes volumétriques :
III.3.1 Les pompes volumétriques rotatives : Ce sont les pompes les plus utilisées.
1)- Les pompes à engrenages :
a) - Les pompes à engrenages extérieures :
 Fonctionnement : Elle est constituée de deux engrenages tournant à l’intérieur du corps de pompe. Le
principe consiste à aspirer le liquide dans l’espace compris entre deux dents consécutives et à le faire
passer vers la section de refoulement (La rotation d’un pignon entraîne la rotation en sens inverse de
l’autre, ainsi une chambre se trouve à l’aspiration, l’autre au refoulement).
Schéma d’une pompe à engrenage extérieur.
 Les Avantages et les inconvénients
Avantages
- Débit régulier.
- Pas de clapets nécessaires.
- Marche de la pompe
réversible.
Inconvénients
- Nombreuses pièces d’usure.
- Pas de particules solides dans cette pompe, ni de
produits abrasifs ; la présence de traces de solide ayant
pour effet d’accélérer l’usure mécanique des pignons et
de diminuer l’étanchéité entre le corps de pompe et les
dents.
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MENECEUR .N
b)- Les pompes à engrenages intérieures :
 Présentation : Ces pompes existent aussi avec une roue à denture intérieure (Couronne dentée)
engrené à un pignon. Dans ce cas la pompe peut disposer d’une pièce intermédiaire en forme de croissant
pour séparer entre l’entrée et la sortie permettant ainsi de diminuer les fuites internes et d’augmenter la
pression de service.
 Caractéristiques de la pompe à engrenage à denture intérieure :
-
Cylindrée : 250 cm3/tour maxi.
-
Pression de service : 250 bars maxi.
-
Peu de pièces en mouvement.
-
Faible encombrement.
-
Combinaison possible de plusieurs pompes.
-
Aptitude à tourner vite : de 300 à 3000tr/min.
-
Bruit de fonctionnement très faible.
-
Rendement élevé : 0,9
2)- Les pompes à palettes :
a)- Pompes à palettes à cylindrée fixe :
 Fonctionnement : Un corps cylindrique fixe (stator) communique avec les orifices d'aspiration et de
refoulement. A l'intérieur se trouve un cylindre plein, le rotor, tangent intérieurement au corps de la pompe
et dont l'axe est excentré par rapport à celui du stator. Le rotor est muni de 2 à 8 fentes diamétralement
opposées deux à deux, dans lesquelles glissent des palettes que des ressorts appuient sur la paroi interne du
stator. Le mouvement du rotor fait varier de façon continue les différentes capacités comprises entre les
cylindres et les palettes en créant ainsi une aspiration du liquide d'un côté et un refoulement de l'autre.
 Caractéristiques et utilisation : Ce sont des pompes caractérisées par des débits allant jusqu'à 100 m/h
et des pressions au refoulement de 4 à 8 bars. Elles conviennent aux liquides peu visqueux.
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 Les avantages et les inconvénients :
Avantages
Inconvénients
- Pas de brassage, ni d’émulsionnage du - Usure du corps par frottement des palettes.
liquide pompé. (blanchissage de liquide
, visionner comme le lait)
- Débit régulier.
- Marche réversible de la pompe.
b)- Pompes à palettes à cylindrée variable (autorégulatrice):
 Caractéristiques d’une pompe à palettes à cylindrée variable:
-
Cylindrée : 100 cm3/tour maxi.
-
Pression de service : 160 bars maxi
-
Auto-aspirante
-
Pompe double ou triple
-
Régulation optimale du débit
-
Faible bruit de fonctionnement et de
-
Construction simple
-
Nécessite une filtration efficace
-
Rendement de 0,9 avec rotor équilibré
III.3.2 Les pompes volumétriques alternatives
Tous les types de pompes à pistons reposent sur le même principe de fonctionnement mouvement
alternatif des pistons dans un alésage doté de deux orifices destinés à l’aspiration et au refoulement. Selon
la disposition des axes des pistons, plusieurs configurations de pompes peuvent exister :
a)- Les pompes à piston :
 Fonctionnement :
Son principe est d'utiliser les variations de volume occasionné par le déplacement d'un piston dans un
cylindre. Ces déplacements alternativement dans un sens ou dans l'autre produisent des phases d’aspiration
et de refoulement. Quand le piston se déplace dans un sens le liquide est comprimé: il y a fermeture du
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clapet d'admission et ouverture du clapet de refoulement. Le fonctionnement est inverse lors de l'aspiration
du liquide dans la pompe. Une membrane est parfois liée au piston.
 Caractéristiques et utilisation :
Elles ne conviennent que pour des débits moyens de l’ordre de 80 m3/h. L'intérêt des membranes est
l'utilisation avec des produits chimiques corrosifs, abrasifs ou acides. La pression au refoulement peut aller
jusqu'à 25 bars.
 Les avantages et les inconvénients :
Avantages
Inconvénients
- Fonctionnement à sec sans dommage.
- Bon rendement (> 90%).
- Débit limité.
- Viscosités assez faibles.
- Pompage de particules solides impossible: la
pompe ne fonctionne bien que si l'étanchéité est
parfaite entre le cylindre et le piston.
- Il existe des pulsations importantes au refoulement : on peut remédier à ceci en utilisant des dispositifs de
pots anti béliers.
On distingue deux types des pompes à piston :
1) Pompe à piston axiaux.
2) Pompe à piston radiaux.
Pompe à pistons axiaux à cylindrée fixe
Pompe à pistons axiaux à cylindrée variable.
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Pompe à pistons radiaux
III.3.3 Grandeurs associées aux pompes :
1)- La cylindrée (Cy): Le volume de fluide refoulé ou aspiré par une pompe en l’absence des fuites,
pendant une révolution de l’arbre principal.
 Unités : [m3 /tr] ; [l/min] ou [l/tr].
2)- Les débits :
a)- Le débit moyen théorique (Qv
moy)
: Le volume moyen refoulé par unité de temps, connaissant la
cylindrée ce débit est déterminé par : Qvmoy = Cy.N
Avec :
N : Fréquence de rotation en [tr/s].
Cy : Cylindrée en [m3/ tr].
b)- Le débit moyen réel (Q v moy r ) : Le volume refoulé par la pompe en pratique, mesuré en une unité de
temps.
c)- débit d’une pompe à engrenage : 𝑄 = 𝑤. 𝑍. 𝑁 , 𝑄 = 𝑣. 𝑠
Avec :
v : vitesse de la section.
𝑄 = 𝑤. 𝑍. 𝑁
w : le volume élémentaire en m3.
𝑄 = 𝑤. 𝑍. 60
𝑚3
𝑚𝑖𝑛
𝑁 𝑚3
𝑠
Z : le nombre de volume élémentaire.
N : vitesse de rotation en tr/min.
d)- débit d’une pompe à piston radiaux : 𝑄 = 𝑤. 𝑍. 𝑁 ⟹ 𝑄 =
𝜋.𝑑 2
4
𝑁
. 2𝑒. 𝑍. 60 en [m3/s].
Telle que : la course du piston : S = 2.e [m].
D’où :
d : diamètre du piston.
10
e)- débit d’une pompe à piston axiaux : 𝑄 = 𝑤. 𝑍. 𝑁 ⟹ 𝑄 =
𝑄=
𝜋.𝑑 2
4
𝑁
. 𝐷𝑡𝑎𝑛𝑔 𝛾. 𝑍. 60
𝜋.𝑑 2
4
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𝑁
. 𝑙𝑚𝑎𝑥 . 𝑍. 60 en [m /s].
3
Avec : lmax : course max du piston.
𝛾 : angle d’inclinaison du plateau.𝛾 =0 ⟹ Q =0
𝑁
f)- débit d’une pompe à palettes : 𝑄 = 2𝜋𝑏. 𝐷. 𝑒. 60 en [m3/s].
Avec :
b : largeur de palette, m.
D : rayon du stator, m.
e : excentricité, m.
3)- Les puissances :
a)- La puissance mécanique (Pm) : Puissance fournie à l’arbre d’entraînement de la pompe par le moteur
et peut être donnée par les deux relations suivantes :
𝑃𝑚 = 𝐶. 𝜔
Ou
𝑃𝑚 = 𝑄𝑣𝑚𝑜𝑦 𝑃𝑠𝑡𝑕 − 𝑃𝑒
Avec :
C : Couple d’entraînement de pompe en [Nm].
𝜔: vitesse angulaire en [rad / s].
p s th : Pression de sortie théorique en [Pa].
Pe : Pression d’entrée en [Pa].
b)- La puissance hydraulique (Phyd) : Puissance fournie par le fluide à la sortie de la pompe donnée par
: 𝑃𝑕𝑦𝑑 = 𝑄𝑣𝑚𝑜𝑦𝑟 𝑃𝑠 − 𝑃𝑒
Avec :
Ps est la pression mesurée réellement à la sortie en [Pa].
4)- Les rendements :
a)- Le rendement volumétrique : Compte tenu des fuites et de la compressibilité du fluide, le dédit réel et
toujours différent du débit théorique, on définit ainsi un rapport :
𝜂𝑣 =
On a 𝜂𝑣 =
𝑞 𝑣𝑚𝑜𝑦 𝑟
𝑞 𝑣 𝑚𝑜𝑦 𝑟 +𝑞 𝑣 𝑓
=
1
𝑞𝑣 𝑓
1+
𝑞 𝑣 𝑚𝑜𝑦 𝑟
𝑄𝑣𝑚𝑜𝑦𝑟
𝑄𝑣𝑚𝑜𝑦
< 1 avec qv f : Débit moyen de fuites.
b) - Le rendement mécanique :
Le fluide à la pression d’entrée refoulé à la pression de sortie ps = pe.
Une chute de pression due à des effets mécaniques et hydrauliques fait passer ps th à ps , ainsi on détermine :
𝜂𝑚 =
𝑃𝑠 − 𝑃𝑒
𝑃𝑠 𝑡𝑕 − 𝑃𝑒
11
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Si 𝛥𝑝 = 𝑃𝑠 − 𝑃𝑒 et Δpth = 𝑃𝑠 𝑡𝑕 − 𝑃𝑒
𝛥𝑝
Ou on aura : 𝜂𝑚 = 𝛥𝑝
𝑡𝑕
=
𝛥𝑝
𝛥𝑝+𝛥𝑝 𝑓
=
1
<1
𝛥𝑝
1+ 𝑓 𝛥𝑝
Avec Δpf : Chute de pression due aux pertes de charges.
c)- Le rendement hydromécanique (ηhm): A cause des frottements mécaniques entre les différentes pièces et
du frottement de liquide contre les parois, le couple reçu par la pompe ne sera pas entièrement transformé
en pression :
𝜂𝑕𝑚 =
𝐶𝑦𝑙. ∆𝑝
2𝜋. 𝐶
Avec :
Cyl : Cylindrée en [m3/tr].
Δp : Différence de pression aux bornes de la pompe en [Pa].
C : Couple en [N.m].
d)- Le rendement global: C’est le rapport de la puissance à la sortie et celle à l’entrée :
𝑃
𝜂𝑡 = 𝑃𝑕 𝑦𝑑
𝑚 é𝑐
Avec :
ω=
2𝜋.𝑁
60
Or 𝑃𝑕𝑦𝑑 = Δ𝑝. 𝑄𝑟é𝑒𝑙 et 𝑃𝑚é𝑐 = 𝐶. 𝜔
donc : ηt = 𝜂𝑣 . η𝑕𝑚
Le rendement global d’une pompe, traduit en termes de performance le rapport en la puissance
hydraulique fournie par la pompe et la puissance mécanique reçue par le moteur.
𝑃𝑕 = 𝑄𝑣 𝑚𝑜𝑦
𝑟
𝑃𝑠 − 𝑃𝑒 = 𝜂𝑣 . 𝑄𝑣 𝑚𝑜𝑦 𝑃𝑠 − 𝑃𝑒 𝑒𝑡 𝑃𝑚 = 𝑃𝑠 𝑡𝑕 − 𝑃𝑒
ηg =
𝑄𝑣 𝑚𝑜𝑦 𝑟
𝑃𝑠 − 𝑃𝑒
𝑋
𝑄𝑣 𝑚𝑜𝑦
𝑃𝑠 𝑡𝑕 − 𝑃𝑒
= 𝜂𝑣 . η𝑚
5)- Le couple d’entraînement (C) :
Le couple à appliquer à l’arbre d’entraînement de la pompe : Unité : [Nm]
𝑃𝑕 = 𝜂𝑔 . 𝑃𝑚 ⟺ 𝑃𝑠 − 𝑃𝑒 . 𝑞𝑣 𝑚𝑜𝑦
𝑟
= 𝐶𝑦. 𝑁. 𝜂𝑣
Et 𝑤 = 2𝜋𝑁 𝑜𝑛 𝑎𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑜𝑛𝑐 𝐶𝑦. 𝑁. 𝜂𝑣 . 𝑃𝑠 − 𝑃𝑒 = 𝜂𝑔 . 𝐶. 2𝜋𝑁
D’où : 𝐶 =
𝐶𝑦 𝑃𝑠 −𝑃𝑒
2𝜋𝜂 𝑚
6) Symboles :
Pompe à cylindrée
fixe à un seul sens
Pompe à cylindrée
variable
Pompe à cylindre
fixe à deux sens
12
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Remarque : Les facteurs qui influent sur le rendement sont :
-
Pression.
-
Température.
-
Technologie de la pompe.
-
Viscosité du fluide.
-
Fréquence de rotation de la pompe.
-
Usure.
Exemple d’application 1:
Dans une installation de transmission de puissance hydrostatique d’une presse hydraulique, une pompe à
palettes débite réellement 100 l / min pour une pression de sortie de 141 bars et celle d’entrée de -0,9 bar.
Cette pompe est entraînée par un moteur électrique tournant à la fréquence de 2500 tr/min donnant un
moment de couple à l’arbre d’entraînement de 105 Nm.
Les caractéristiques de la pompe sont :
- Diamètre du stator, D = 120 mm.
- Nombre de palettes, n = 5.
- Largeur d’une palette, b = 20 mm.
- Excentricité, e = 3 mm.
Sachant que la cylindrée d’une pompe à palettes est donnée par la relation : 𝐶𝑦 = 2𝑏. 𝑛. 𝑒. 𝐷. 𝑠𝑖𝑛 𝜋/𝑛 .
Déterminer:
1- Le débit moyen théorique.
2- Le débit des fuites, en déduire le rendement volumétrique.
3- La puissance hydraulique.
4- La puissance mécanique.
5- Le rendement mécanique, en déduire la puissance de sortie théorique et la chute de pression due aux
pertes de charges.
6- Le rendement global en utilisant deux méthodes.
Exemple d’application 2 :
Une machine à commande hydraulique fonctionne à un débit d’huile de 3L/s et une pression de 120
bars. L’huile est aspirée d’un réservoir à la pression atmosphérique considérée égale à 1bar. Deux pompes
sont disponibles :
Pompe A : pompe à 3 pistons radiaux de diamètre 40 mm et de course 30 mm et ayant un
rendement volumétrique𝜂𝑣 = 0,88 et un rendement mécanique 𝜂𝑚 = 0,85.
Pompe B : pompe à engrenages extérieurs avec 30 dents sur chaque pignon, de largeur b = 40 mm et un
module de 3 mm. Son rendement volumétrique est 𝜂𝑣 = 0,95 et son rendement mécanique est 𝜂𝑚 = 0,90.
13
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𝑚3
Le débit moyen d’une pompe à engrenages extérieurs est donné par la relation : 𝑄𝑣 𝑚𝑜𝑦 = 𝑏. 𝑤. 𝑚2 𝑍 [
𝑠
]
Dans le but de choisir une pompe et un moteur d’entraînement, les paramètres suivants doivent êtres
Déterminés :
1. La cylindrée de chaque pompe.
2. La puissance hydraulique à fournir.
3. La puissance mécanique nécessaire pour chaque pompe.
4. La vitesse de rotation d’entraînement de chaque pompe en tr/mn.
5. Le couple nécessaire pour l’entraînement de chaque pompe.
6. Les moteurs électriques disponibles sont : M1 (44 KW, 1440 tr/mn), M2 (48 KW,
2500 tr/mn), M3 (45 KW, 3000 tr/mn). Choisir une pompe et un moteur pour cette machine
hydraulique. Justifier votre choix.
7. Calculer le débit réel qui sera fourni à la machine suite à votre choix.
8. En déduire le type de la composante à installer pour avoir un débit de 3 l/s.
9. Calculer la pression de service de la machine.
10. En déduire le type du composant à installer pour avoir une pression de 120 bars.
14

CHAPITRE III : Les circuits de transmission de puissance

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