Principes de base du printemps 101 : un guide complet

Les ressorts sont largement utilisés dans les industries mécaniques et électroniques en raison de leurs propriétés élastiques.

Lorsqu'un ressort est soumis à une charge, il subit une déformation élastique importante, transformant le travail mécanique ou l'énergie cinétique en énergie de déformation stockée.

Lorsqu'il est déchargé, le ressort revient à son état initial, l'énergie de déformation stockée étant reconvertie en travail mécanique ou en énergie cinétique.

La relation entre la charge du ressort et sa déformation est appelée rigidité du ressort. Plus la raideur est élevée, plus le ressort est rigide.

1. Fonction du ressort

Les fonctions des ressorts sont les suivantes

• Amortissement, comme les ressorts amortisseurs utilisés dans les suspensions des voitures et des trains, et divers systèmes de tampons.
• Contrôle du mouvement des mécanismes, tels que les ressorts de soupape dans les moteurs à combustion interne et les ressorts de commande dans les embrayages.
• Stocker et libérer de l'énergie, comme les ressorts d'horlogerie et les ressorts de verrouillage des armes à feu.
• Mesure de la force, comme les ressorts dans les balances à ressort et les dynamomètres.

2. Classification des ressorts

Les ressorts peuvent être classés selon leur nature de contrainte en quatre types : les ressorts de traction, les ressorts de compression, les ressorts de torsion et les ressorts de flexion.

Un ressort de traction est un type de ressort hélicoïdal qui subit une tension axiale.

Ces ressorts sont généralement fabriqués à partir de matériaux à section circulaire.

Lorsqu'ils ne sont pas soumis à une charge, les spires d'un ressort de traction sont généralement étroitement enroulées, sans espace entre elles.

Un ressort de compression est un type de ressort hélicoïdal conçu pour résister aux forces de compression.

La section transversale des ressorts de compression est généralement circulaire, mais ils peuvent également être fabriqués en acier rectangulaire ou à plusieurs brins.

Ces ressorts ont généralement un pas égal et un petit espace entre les spires.

Lorsqu'il est soumis à une charge externe, le ressort de compression se comprime, se déforme et emmagasine de l'énergie dans sa déformation.

Les ressorts de torsion sont un type de ressort hélicoïdal.

Ils sont capables de stocker et de libérer de l'énergie angulaire, ou de maintenir un dispositif dans une position statique en faisant tourner le bras de force autour de l'axe central du corps du ressort.

Les extrémités d'un ressort de torsion sont fixées à d'autres composants, et lorsque ces composants tournent autour du centre du ressort, celui-ci les ramène à leur position initiale, générant ainsi un couple ou une force de rotation.

En plus de la types de ressortsIl existe également deux types de ressorts non conventionnels : les ressorts pneumatiques et les ressorts en nanotubes de carbone.

Un ressort pneumatique est un non métallique ressort qui utilise la compressibilité de l'air pour créer un effet élastique en ajoutant de l'air sous pression dans un récipient flexible fermé.

Lorsqu'ils sont utilisés dans des systèmes de suspension de véhicules haut de gamme, les ressorts pneumatiques améliorent considérablement le confort de conduite, ce qui les rend largement utilisés dans les automobiles et les locomotives de chemin de fer.

Un ressort en nanotubes de carbone est créé par la technologie de filage, en commençant par la préparation d'un film de nanotubes de carbone.

Avec un diamètre de quelques centaines de microns et une longueur de quelques centimètres, les ressorts en nanotubes de carbone ont de nombreuses applications potentielles, notamment des conducteurs rétractables, des électrodes flexibles, des microcapteurs de déformation, des supercondensateurs, des circuits intégrés, des cellules solaires, des sources d'émission de champ, des fibres de dissipation d'énergie, et bien d'autres encore. On s'attend également à ce qu'ils soient utilisés dans des dispositifs médicaux, tels que les bandages à détection de tension.

3. Matériau du ressort et contrainte admissible

Pendant leur fonctionnement, les ressorts sont souvent soumis à des charges alternées et à des charges d'impact, et doivent subir des déformations importantes. Par conséquent, le matériau utilisé pour fabriquer les ressorts doit avoir une résistance élevée à la traction, une limite élastique et une bonne résistance à la traction. résistance à la fatigue.

En outre, le processus de fabrication doit permettre d'obtenir une trempabilité suffisante, une résistance à l'abrasion et à la corrosion, ainsi qu'une résistance à l'usure. décarburationet une bonne qualité de surface.

Matériaux courants des ressorts et contraintes de cisaillement admissibles

Remarque :

• Les ressorts peuvent être classés en trois catégories en fonction du nombre de cycles qu'ils subissent sous charge : Type I, avec n > 10⁶Type II, avec n = 10³ ~ 10⁵ et sous charge d'impact ; et le type III, avec n < 10³.
• La contrainte admissible pour les ressorts de traction à manille est de 80% de la valeur indiquée dans le tableau. Si le ressort subit un traitement sous forte pression, sa contrainte admissible peut être augmentée de 20%.
• L'acier à ressort pour câble au carbone est divisé en quatre groupes en fonction de ses propriétés mécaniques, le groupe 1 ayant la résistance à la traction la plus élevée, le groupe II la deuxième place, le groupe III la plus faible et le groupe IV la même résistance à la traction que le groupe II, mais une meilleure plasticité.

Le tableau ci-dessous indique le Sb du câble de carbone et du fil d'acier à ressort.

Résistance du fil d'acier à ressort au carbone

4. Fabrication de ressorts

Le processus de production d'un ressort hélicoïdal comprend le laminage, la création de crochets ou l'achèvement des anneaux de la face frontale, le traitement thermique et les tests de performance.

Dans la production à grande échelle, les ressorts sont enroulés à l'aide d'une enrouleuse automatique universelle. Pour les pièces individuelles ou les petites séries, ils sont fabriqués à l'aide d'un tour traditionnel ou à la main. Lorsque le diamètre du fil de ressort est inférieur ou égal à 8 mm, une méthode d'enroulement à froid est généralement utilisée.

Un traitement thermique est nécessaire avant l'enroulement, avec un revenu à basse température après l'enroulement. Lorsque le diamètre est supérieur à 8 mm, il convient d'utiliser une méthode de bobinage à chaud (avec des températures allant de 800°C à 1000°C). Après l'enroulement à chaud, le ressort doit être trempé et revenu à des températures moyennes.

Une fois le ressort formé, une inspection de la qualité de la surface doit être effectuée pour s'assurer qu'elle est lisse et exempte de défauts tels que des cicatrices, décarburationet d'autres imperfections. Les ressorts qui seront soumis à des charges variables doivent également subir les opérations suivantes traitement de surfaceLe grenaillage de précontrainte, par exemple, permet d'améliorer leur résistance à la fatigue.

5. Structure terminale du ressort

Le nombre effectif de spires N participant à la déformation du ressort de compression est crucial pour garantir que le ressort fonctionne de manière uniforme et que sa ligne médiane est perpendiculaire à la face d'extrémité.

Pour ce faire, il existe aux deux extrémités du ressort des spires de 3/4 à 7/4 de tour qui jouent un rôle d'appui serré, appelées cercles morts ou anneaux d'appui. Ces spires ne participent pas à la déformation pendant le travail.

Le ressort de traction est équipé d'un crochet à son extrémité pour l'installation et le chargement, et il existe quatre types courants de structures d'extrémité : manille semi-circulaire, manille circulaire, crochet réglable et crochet rotatif.

Les manilles semi-circulaires et circulaires sont faciles à fabriquer et largement utilisées, mais en raison de la contrainte de flexion élevée à la transition du crochet, elles ne conviennent qu'aux ressorts d'un diamètre de fil de ressort d ≤ 10 mm. En revanche, les crochets réglables et rotatifs sont soumis à de bonnes conditions de contrainte et peuvent être tournés dans n'importe quelle position pour faciliter l'installation.

6. Calcul des contraintes du ressort

Analyse des contraintes d'un ressort de compression

La figure (a) montre le ressort de compression cylindrique hélicoïdal qui supporte la charge de travail axiale F.

L'analyse de la méthode des sections révèle que la section du fil ressort est soumise à la fois à une force de cisaillement F et à un couple T, qui est égal à F fois D divisé par 2. Le couple entraîne une contrainte de cisaillement, qui peut être calculée comme suit :

Si l'on tient compte de l'impact de la contrainte de cisaillement générée par la force de cisaillement F et la courbure en spirale du fil du ressort, la contrainte de cisaillement maximale t peut être trouvée sur le côté intérieur du ressort, comme le montre la figure (b). Sa valeur et les conditions de résistance sont les suivantes :

Où ?

C - rapport d'enroulement,

C = D / D, qui peut être sélectionné selon le tableau 1

K - coefficient de courbure du ressort,

K peut également être calculé directement à partir du tableau 2.

Le tableau montre que plus C est élevé, plus l'influence de K sur T est faible ;

F - charge de travail du ressort, N ;

D - diamètre primitif du ressort, mm ;

D - diamètre du matériau mm.

Tableau 1 valeurs recommandées du rapport d'enroulement

Tableau 2 coefficient de courbure K

Dans l'équation 1, la formule de calcul du diamètre du fil d'acier à ressort en fonction de la condition de résistance peut être obtenue en remplaçant f par la charge de travail maximale F2 du ressort :

La méthode de calcul de la résistance d'un ressort de traction est identique à celle d'un ressort de compression.

7. Le ressort n'est pas en place et la raison de la défaillance

Dans la pratique, il est fréquent de rencontrer des situations où le ressort ne peut pas pousser l'objet en mouvement jusqu'à la position désignée, ce qui a pour effet de réduire la longueur libre calculée du ressort.

La cause de ce problème est l'absence de traitement initial de compression, qui consiste à comprimer le ressort jusqu'à sa hauteur de compression ou de serrage en exerçant une force significative (si nécessaire), puis à le relâcher pour qu'il retrouve sa longueur libre d'origine.

Le raccourcissement du ressort est appelé "rétrécissement de compression initial".

En règle générale, après avoir été soumis à la compression 3 à 6 fois, la longueur du ressort ne se raccourcit plus et il s'est "stabilisé".

Il est important de noter qu'après avoir subi une compression initiale, le ressort est déformé de façon permanente.

8. Précautions concernant les ressorts

Dans les applications pratiques, un ressort de compression doit pouvoir conserver sa longueur de fonctionnement même s'il est soumis à des forces qui dépassent la limite d'élasticité de son matériau.

Par conséquent, la longueur du ressort fini doit être égale à la longueur calculée du ressort plus le retrait de compression initial. Cela évitera que le ressort ne soit pas en place et réduira le risque d'une tension dangereuse lorsque les spires du ressort sont serrées l'une contre l'autre, entraînant une déflexion anormale du ressort.

Pendant le traitement thermique du ressort fini, en particulier le processus de trempe et de revenu, il est essentiel de placer la pièce à l'horizontale (couchée) dans le four afin d'éviter que le ressort ne se raccourcisse sous l'effet de son propre poids, ce qui pourrait entraîner un mauvais fonctionnement.