Les ressorts sont des composants mécaniques conçus pour stocker et libérer de l’énergie lorsqu’ils sont comprimés, étirés ou tordus. Ils sont généralement constitués de matériaux tels que des aciers ou des alliages spécialisés, et sont fabriqués selon des processus comprenant le bobinage, le traitement thermique, le meulage, le revêtement et la finition. Les ressorts servent à diverses fins telles que l’absorption des chocs, l’amortissement des vibrations et le contrôle du mouvement des machines. De plus, ce sont des composants polyvalents faisant partie intégrante de la vie quotidienne, permettant des déplacements plus fluides dans les suspensions automobiles, un chronométrage précis des horloges et des montres, ainsi que du confort et du soutien dans les meubles.
Certains ressorts sont fabriqués sur mesure pour répondre à des applications précises, tandis que d'autres sont produits en série pour des fonctions générales. Si votre application nécessite un type particulier de ressort, il est important de déterminer le type exact nécessaire. Dans cet article, nous examinerons le fonctionnement des ressorts, explorerons les différents types de ressorts et leurs applications, et réfléchirons à la manière de sélectionner les ressorts adaptés à vos projets.
Principe de fonctionnement du ressort
Les ressorts sont conçus pour se déformer lorsqu’une force est appliquée, stockant ainsi de l’énergie. Cette déformation génère une force de restauration qui est libérée une fois la force supprimée, permettant au ressort de reprendre sa forme et sa taille d'origine. La loi de Hooke explique ce comportement.
La loi de Hooke est un principe fondamental de la physique qui décrit la relation entre la déformation d'un matériau élastique (en particulier un ressort) et la force qui lui est appliquée. Elle a été formulée par le scientifique anglais Robert Hooke à la fin du XVIIe siècle.
Mathématiquement, la loi de Hooke s’exprime comme suit :
F = -kx
Le signe négatif indique que la force de rappel exercée par le ressort est dans le sens opposé au déplacement provoqué par une force extérieure.
« F » est une force appliquée au ressort.
"k" est la constante du ressort, qui quantifie la rigidité du ressort. Dans les ressorts linéaires, « k » dépend de facteurs tels que le diamètre du fil, le diamètre de la bobine et le nombre de bobines. En revanche, dans les ressorts de torsion, « k » est influencé par l’angle de torsion (l’angle de torsion, généralement en radians) et la longueur du bras (la distance entre le point d’application de la force et l’axe de torsion).
« x » représente le déplacement ; pour les ressorts linéaires, c'est la distance étirée ou comprimée depuis la position d'équilibre, et pour les ressorts de torsion, c'est l'angle de torsion.
Types de ressorts et leurs applications
Les ressorts sont fondamentalement classés en trois types de base : ressorts mécaniques, à gaz et pneumatiques. Les ressorts à gaz utilisent du gaz comprimé scellé pour générer une force, que l'on trouve couramment dans les hayons automobiles et les dossiers de chaises réglables. Les ressorts pneumatiques, quant à eux, utilisent de l'air comprimé pour absorber les chocs et les charges et sont généralement utilisés dans les systèmes de suspension des automobiles et des camions.
Cet article se concentrera principalement sur les ressorts mécaniques, le type le plus courant dans presque tous les appareils grand public et équipements industriels, qui sont divisés en trois sous-catégories : hélicoïdaux, à disque et à lames. Commençons par les ressorts hélicoïdaux.
Catégorie 1 : ressorts hélicoïdaux
Les ressorts hélicoïdaux, également appelés ressorts hélicoïdaux, sont généralement fabriqués à l'aide de machines à enrouler les ressorts en enroulant du fil pour créer une forme hélicoïdale. Ces ressorts sont très élastiques et flexibles, ce qui leur permet d'absorber les chocs et de maintenir la force dans une large gamme de conditions de charge.
1. Ressorts de compression
Les ressorts de compression sont des ressorts à spirale ouverte avec un diamètre de bobine constant et un espace entre les bobines. Ils ne peuvent être comprimés que dans leur direction axiale. Pour maintenir une répartition uniforme de la force et garantir un assemblage stable, les extrémités de ces ressorts sont souvent soumises à un meulage de précision. Les applications typiques incluent les matelas, les valves, les stylos à bille et les balances.
2. Ressorts d'extension
Les ressorts d'extension sont des ressorts étroitement enroulés conçus pour résister aux forces d'étirement ou de traction. Les extrémités de ces ressorts sont généralement formées en boucles ou en crochets pour faciliter la fixation à d'autres composants. L'l'usinage CNC est utilisé pour créer ces formes d'extrémité complexes, en particulier pour les ressorts personnalisés, robustes ou à usage spécial. Les applications courantes incluent les portes de garage, les balances et les suspensions automobiles.
3. Ressorts de torsion
Les extrémités d'un ressort de torsion sont fixées à d'autres composants, et lorsque ces composants tournent autour du centre du ressort, le ressort les ramène à leur position initiale, générant un couple ou une force de rotation. Ce type de ressort est utilisé dans les charnières, les contrepoids, les ferme-portes et les portes de garage.
Les ressorts hélicoïdaux, également appelés ressorts d'horlogerie ou ressorts hélicoïdaux plats, sont un type spécifique de ressort de torsion. Ils sont fabriqués en enroulant des bandes métalliques rectangulaires en spirales plates et sont capables de stocker et de libérer de l'énergie à un rythme constant. En raison de leur capacité à libérer continuellement de l’énergie, les ressorts hélicoïdaux sont particulièrement adaptés aux montres mécaniques, aux jouets et aux sièges inclinables.
Catégorie deux : ressorts à disque
Les disques ressorts sont généralement produits selon un processus d'estampage de haute précision à partir de feuilles plates de métal. Leur forme conique leur permet d'être empilés dans diverses configurations pour obtenir des caractéristiques de force-déflexion spécifiques. Par conséquent, ils sont préférés dans les applications nécessitant une force élevée dans des espaces limités.
1. Sources de Belleville
Les ressorts Belleville présentent une conception conique standard avec une ouverture centrale, plus épaisse sur les bords et plus fine au centre. En raison de leurs ressorts élevés et de leurs capacités de charge dans une configuration compacte, ils sont couramment utilisés comme outils mécaniques, vannes, embrayages et disjoncteurs.
2. Ressorts à disque incurvé
Les ressorts à disque incurvé sont également appelés rondelles en forme de croissant. Ils ont une courbure qui leur fait subir une trajectoire de déformation prédéterminée sous des charges axiales. De telles caractéristiques de charge non linéaire leur permettent d'être largement utilisées dans la régulation des composants des soupapes de sécurité et des soupapes de régulation de pression, qui nécessitent une réponse flexible et un contrôle progressif.
3. Ressorts à disques fendus
Les disques ressorts à fentes sont caractérisés par des fentes sur leur diamètre extérieur ou intérieur, permettant une plus grande expansion latérale pendant la compression. À mesure que la compression augmente, la rigidité du ressort diminue généralement, ce qui entraîne une réponse plus douce. De plus, la réponse à la charge de ces ressorts présente des variations non linéaires à différents stades de compression, ce qui les rend idéaux pour les applications qui exigent un contrôle précis de la force et du déplacement. Ces ressorts sont couramment utilisés dans les transmissions automatiques pour faciliter des changements de vitesse en douceur, et dans les coupleurs de surcharge pour protéger contre une charge excessive en ajustant dynamiquement la rigidité.
4. Ressorts de disque ondulé
Les ressorts à disque ondulé présentent une forme ondulée avec plusieurs vagues par bobine. Cette conception unique leur permet d'absorber une quantité importante de compression axiale dans une forme très compacte, leur permettant de fournir la même force que les ressorts hélicoïdaux traditionnels mais dans un espace plus petit. De plus, ils offrent une charge progressive, ce qui signifie que la force exercée par le ressort augmente progressivement à mesure qu'il se comprime. Ces caractéristiques sont particulièrement avantageuses dans les applications qui nécessitent une gestion précise de la charge au sein d'ensembles compacts, tels que les ensembles de vannes, les appareils électroniques et les machines légères.
Catégorie trois : ressorts à lames
Les ressorts à lames sont des plaques longues et étroites disposées en couches ou en piles, généralement fabriquées par découpe puis façonnées par formage à chaud ou pliage à froid. Connus pour leur construction robuste et leur capacité à supporter des charges très lourdes, les ressorts à lames sont un composant essentiel des systèmes de suspension des véhicules depuis de nombreuses années. Cependant, avec les progrès des matériaux et de la technologie, les systèmes de suspension modernes, tels que les suspensions pneumatiques, commencent à remplacer les systèmes à ressorts à lames traditionnels dans certaines applications.
1. Ressorts monolames
Les ressorts à lame unique, également appelés ressorts à lame unique, sont construits à partir d'une seule pièce de métal épaisse qui se rétrécit du centre vers les extrémités. Cette conception permet au ressort d'être plus léger tout en étant capable de supporter des charges importantes. De plus, ils sont généralement plus faciles et moins coûteux à fabriquer et à installer. Les ressorts monolames sont utilisés à la fois dans les véhicules légers et lourds, mais sont particulièrement appréciés dans les véhicules de performance et les véhicules utilitaires légers.
2. Ressorts multilames
Les ressorts à lames multiples sont constitués de plusieurs couches de lames métalliques empilées les unes sur les autres, généralement graduées en longueur. Chaque lame est conçue pour supporter une partie de la charge, les feuilles travaillant ensemble pour répartir la charge plus uniformément sur le ressort. Par conséquent, les ressorts multi-lames sont mieux équipés pour supporter des charges plus lourdes et offrent une plus grande durabilité que les ressorts mono-lames. Ils présentent également des capacités supérieures d’absorption des chocs et de répartition de la charge. Ces attributs les rendent couramment utilisés dans les véhicules plus lourds tels que les camions, les fourgonnettes et les SUV.
Matériaux utilisés pour fabriquer des ressorts
Les ressorts sont généralement fabriqués à partir de métaux, bien que des matériaux composites et du caoutchouc soient parfois adoptés. Ensuite, nous nous concentrerons sur les matériaux métalliques couramment utilisés pour fabriquer des ressorts.
Acier à haute teneur en carbone
L'acier à haute teneur en carbone contient une proportion plus élevée de carbone (généralement entre 0,6 % et 1,5 %), ce qui lui confère une dureté et une résistance élevées. Cela lui permet de résister à de lourdes charges et à des pressions élevées. Il présente également une résistance élevée à la fatigue et à l’usure, qui sont cruciales pour les ressorts soumis à de nombreux cycles de compression et de relâchement. Cependant, il est plus fragile et sujet à la corrosion.
Acier faiblement allié
L'acier faiblement allié est un type d'acier dont la teneur totale en éléments d'alliage est inférieure à 5 %. Il contient généralement des éléments tels que le nickel, le chrome et le molybdène, qui améliorent les propriétés mécaniques telles que la résistance et la ténacité. Cela permet aux ressorts en acier faiblement allié de résister à des charges plus importantes sans se casser. De plus, l’acier faiblement allié offre une meilleure résistance à la corrosion que l’acier au carbone et est plus rentable que l’acier inoxydable.
Acier inoxydable
L'acier inoxydable, un acier fortement allié contenant au moins 10,5 % de chrome, est idéal pour fabriquer des ressorts utilisés dans des environnements difficiles exposés à l'humidité, aux produits chimiques ou au sel. L'ajout d'autres éléments d'alliage comme le nickel, le molybdène et le manganèse améliore sa résistance, sa résistance à l'usure et sa résistance à la fatigue. De plus, l’acier inoxydable se comporte bien à hautes et basses températures, ce qui le rend bien adapté aux ressorts fonctionnant dans des environnements à températures variables.
Alliages de nickel
Les alliages de nickel possèdent une excellente résistance aux hautes températures et à la corrosion, tout en conservant une bonne résistance mécanique. Ils constituent un choix de premier ordre pour la fabrication de ressorts qui nécessitent des performances élevées dans des conditions environnementales extrêmes.
Alliages de cuivre
Les alliages de cuivre possèdent une excellente conductivité électrique et thermique, ainsi qu'une résistance à la corrosion et sont faciles à façonner. Ils sont couramment utilisés pour fabriquer des ressorts pour des applications nécessitant une conductivité électrique et une résistance à la corrosion supérieures, telles que les contacts et connecteurs de batterie.
Titane
Le titane est privilégié pour sa faible densité et sa haute résistance, mais il est particulièrement apprécié dans le domaine médical pour sa biocompatibilité. Il peut également résister à des charges élevées dans des environnements extrêmes, ce qui rend les ressorts en titane couramment utilisés dans les équipements sportifs de haute performance et les composants aérospatiaux.
Lors de la fabrication des ressorts, les matériaux métalliques ci-dessus doivent généralement subir une série de traitements pour améliorer leurs performances et leur durabilité :
Étirage à froid : améliore la structure cristalline du matériau, améliorant ainsi sa résistance à la traction et à la fatigue.
Traitement thermique :
Trempe et revenu : A common heat treatment process that involves heating the metal to a specific temperature, then rapidly cooling it (quenching), followed by moderate reheating (tempering). This process enhances the toughness and wear resistance of the metal.
Trempe à l'huile : Involves cooling the heat-treated metal in oil to improve the spring's fatigue resistance and elasticity.
Durcissement de la bainite : A special heat treatment process that controls the cooling rate to form a bainitic microstructure, enhancing the material’s strength and toughness.
Traitement de surface : les ressorts sont souvent traités avec du zinc, du nickel ou du chrome pour éviter l'oxydation et prolonger leur durée de vie. Alternativement, des améliorations de la qualité de surface comme le sablage ou le polissage sont utilisées pour réduire l'apparition de fissures de fatigue.
Soulagement du stress : En chauffant modérément puis en laissant le matériau refroidir naturellement, ce processus élimine efficacement les contraintes internes générées lors de la fabrication des ressorts.
Avantages des ressorts
Les sources contribuent à notre vie quotidienne de diverses manières, nous offrant une multitude de commodités grâce à leurs fonctions. Ceux-ci incluent, sans s'y limiter, les éléments suivants :
Amortissement des vibrations
L'amortissement des vibrations vise à réduire l'intensité et la durée des vibrations au sein d'un système. Par exemple, dans les machines industrielles, les ressorts sont utilisés pour absorber et dissiper l’énergie des vibrations, minimisant ainsi leur transmission à travers la machinerie et ses structures de support. Cela prolonge non seulement la durée de vie de l'équipement, mais améliore également la sécurité et le confort des opérateurs en réduisant les niveaux de bruit et en atténuant la fatigue liée aux vibrations. De plus, un amortissement efficace des vibrations grâce à des ressorts garantit un fonctionnement plus précis des machines industrielles.
Absorption des chocs
Différent de l’amortissement des vibrations axé sur l’amplitude, l’absorption des chocs vise spécifiquement à atténuer les effets d’impacts soudains et extrêmes tels que des collisions ou des changements rapides de vitesse. Ceci est particulièrement précieux dans les systèmes de suspension automobile, car il contribue à une conduite plus douce en absorbant les impacts des bosses et des nids-de-poule sur la route.
Fourniture de force et contrôle des mouvements
Les ressorts peuvent générer des forces de restauration pour fournir des forces de poussée, de traction ou de compression, contrôlant ainsi le mouvement ou maintenant l'équilibre. Par exemple, dans la vie quotidienne, les ressorts sont utilisés dans les ferme-portes pour fournir la force contrôlée nécessaire pour fermer les portes en douceur et en toute sécurité.
Soutien et rémunération
Les ressorts peuvent supporter et compenser diverses charges, équilibrant ou ajustant selon les besoins. Un exemple courant est celui des chaises de bureau. Lorsque l'utilisateur déplace son poids ou modifie la hauteur du fauteuil, le ressort s'ajuste pour maintenir le confort et fournir un soutien ergonomique, compensant efficacement les changements de charge et de position.
Stockage et libération d'énergie
Les ressorts peuvent stocker de l'énergie par déformation et la libérer en cas de besoin. Cela leur permet de fonctionner comme des dispositifs comme des batteries pour le stockage et la libération d'énergie dans des applications telles que les montres mécaniques et les jouets de conduite.
Comment choisir le bon ressort pour votre application
Choisir le ressort adapté à votre application est crucial pour garantir des performances et une durabilité optimales. Vous trouverez ci-dessous quelques étapes et considérations détaillées pour vous aider à sélectionner le ressort le plus approprié à vos besoins.
Sélectionnez le type de ressort
Les ressorts, qu'ils soient hélicoïdaux ou plats, fonctionnent dans l'un des trois scénarios décrits ci-dessous. Si vous avez besoin d'un ressort pour libérer l'énergie stockée et générer un mouvement de poussée, un ressort de compression est probablement votre meilleur choix. Pour les actions de traction, telles que l'extension ou la rétraction, un ressort de tension convient. Et si un mouvement de rotation ou radial est nécessaire, les ressorts de torsion sont souvent l'option privilégiée.
Chaque type de ressort possède des zones où il est le plus fréquemment utilisé en raison des propriétés mécaniques spécifiques qu'il offre. Par exemple, les ressorts d'extension ne sont pas autolimitants, car ils peuvent être étirés au-delà de leur point de rupture, ce qui est différent des ressorts de compression en cours de conception. avec un point de compression maximum pour éviter la rupture du ressort. Les ressorts d'extension sont principalement utilisés dans des applications non critiques où la défaillance n'est pas un problème majeur, comme les trampolines et les portes de garage. Les ressorts de torsion sont le type de ressort le plus courant, que l'on retrouve dans les objets du quotidien tels que les pinces à linge et les planches à pince, ainsi que dans des systèmes plus complexes comme les portes de garage et les suspensions de véhicules.
Tenez compte des exigences de candidature
Outre le type de ressort, les exigences spécifiques à des applications spécifiques doivent également être prises en compte.
1. Exigences en matière de force
Tout d'abord, il est crucial de discerner le type de charge, qu'elle soit statique ou dynamique. Généralement, pour résister aux charges dynamiques, il faut des matériaux plus durables ou des conceptions spéciales (telles que des ressorts progressifs) capables de gérer les fluctuations de force.
Deuxièmement, il est essentiel de déterminer la force maximale que le ressort supportera et d'intégrer un facteur de sécurité (généralement entre 1,2 et 2 fois) dans les calculs de force. Cela garantit que le ressort peut résister à des surcharges inattendues et éviter les pannes.
Enfin, traduisez ces exigences de force en conceptions de ressorts spécifiques en déterminant des paramètres tels que le diamètre du fil, le diamètre de la bobine et le nombre de bobines. Pour permettre au ressort de résister à des charges plus importantes, des diamètres de fil plus épais et des espacements de bobines plus serrés peuvent être sélectionnés pour améliorer la résistance globale du ressort.
2. Évaluer les conditions environnementales
Pour les applications fonctionnant à des températures élevées, les ressorts fabriqués à partir d'alliages à base de nickel comme l'Inconel 600 ou l'Inconel X-750, qui offrent une résistance thermique exceptionnelle, sont idéaux. Dans les environnements corrosifs, les alliages de titane ou les ressorts en acier inoxydable sont d'excellents choix en raison de leur résistance à la corrosion. Des traitements de surface supplémentaires tels que les revêtements et le sablage aux billes peuvent encore améliorer leur résistance à la corrosion et réduire la friction. Pour les applications qui supportent des charges élevées, les ressorts fabriqués à partir de matériaux comme l'acier au silicium (par exemple AISI 5160) ou l'acier au chrome-vanadium (par exemple AISI 6150), connus pour leur résistance exceptionnelle et leur résistance à la fatigue, sont plus couramment utilisés. Dans les scénarios nécessitant des utilisation, la résistance à la fatigue est un facteur primordial à considérer particulièrement. Les matériaux présentant des limites de fatigue élevées et une bonne élasticité, tels que l'acier au chrome-silicium, l'acier au chrome-vanadium et l'acier inoxydable, sont privilégiés. Alternativement, l'optimisation de la conception des ressorts en incorporant des fonctionnalités telles que des transitions arrondies et une répartition uniforme des bobines peut contribuer à améliorer la durée de vie en fatigue.
3. Limites d'espace
L'espace disponible dictera la taille du ressort et éventuellement sa configuration. Par exemple, par rapport aux ressorts traditionnels, les ressorts à disque fournissent une plus grande force dans le même espace axial, ce qui les rend adaptés aux applications avec un espace limité. Lorsque l'espace est limité en largeur mais pas en longueur, comme dans les châssis de camions et de wagons de chemin de fer, les ressorts à lames sont avantageux.
Stock ou personnalisé
Le plus grand avantage des ressorts d'origine réside dans leur disponibilité immédiate. Vous n’avez pas besoin d’attendre et pouvez les obtenir immédiatement. De plus, ils sont généralement moins chers que les ressorts personnalisés. Cependant, les ressorts servent de composants auxiliaires et doivent répondre aux exigences spécifiques de diverses applications. Les ressorts personnalisés offrent une correspondance précise et sont donc populaires dans de nombreuses applications. Si vous optez pour des ressorts personnalisés, il est important de choisir un fabricant réputé qui adhère aux normes et aux meilleures pratiques de l'industrie. Chiggo est une entreprise connue pour fournir une large gamme de ressorts personnalisés.
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