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NOTE DE L'ÉDITEUR
Cet article est la réédition de l’article B5430 Ressorts – Généralités rédigé en 1984 par Michel DUCHEMIN
RÉSUMÉ
Cet article traite des considérations générales relatives aux liaisons élastiques appelées communément ressorts mécaniques. Le principe théorique de base permet de mettre en évidence les typologies de matériaux et de comportements exploités dans les ressorts. Les géométries de ressorts peuvent ainsi être très diversifiées (lames, hélicoïdes, cônes) avec des modes de fonctionnement variés (en traction, compression, flexion, torsion). Les matériaux sont métalliques, plastiques, céramiques et composites et les procédés de fabrication en dépendent. De nombreux facteurs peuvent influencer la durée de vie des ressorts métalliques.
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Manuel PAREDES : Professeur des Universités - Institut Clément Ader, Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse, 135 avenue de Rangueil, 31077 Toulouse Cedex 4, France
INTRODUCTION
Les ressorts sont très fréquemment exploités dans les systèmes mécaniques et pour des applications très variées. Ce sont des organes mécaniques ayant généralement une forme simple (lames ou hélicoïde) dont la conception a parfois tendance à être négligée en phase de conception préliminaire. L’expérience montre que les ressorts doivent être conçus et fabriqués avec soin pour garantir le bon fonctionnement des systèmes dans lesquels ils sont intégrés. D’un point de vue historique, l’Institute of Spring Technology (IST) a par exemple été créé au Royaume-Uni pendant la seconde guerre mondiale pour traiter les problématiques de mise hors-service d’armes et de véhicules suite à des casses de ressorts. Aujourd’hui, l’IST est toujours actif et participe au développement de la connaissance (avec d’autres laboratoires dans le monde) sur les ressorts et les matériaux associés.
Les enjeux environnementaux amènent les ingénieurs à repousser les limites des technologies pour trouver des systèmes toujours plus économes en énergie tout en garantissant leur robustesse et leur longévité dans un souci de développement durable. Dans ce contexte, il est impératif d’intégrer une bonne conception des ressorts pour ne pas qu’ils soient les éléments critiques des systèmes.
Les ressorts sont basés sur un phénomène physique simple : tout effort appliqué à une pièce mécanique la met dans un état de contrainte qui la déforme. Si cette propriété génère souvent des effets néfastes sur les systèmes, les organes mécaniques appelés liaisons élastiques ou plus communément ressorts exploitent cette propriété de manière positive. Ainsi, le déplacement global associé à l’accumulation des déformations locales est utile dans plusieurs cas :
-
pour maintenir un effort constant ou un couple constant (cas des attaches) ;
-
pour signaler ou contrôler la valeur d’une force ou d’un couple (cas des dynamomètres) ;
-
pour emmagasiner puis restituer progressivement de l’énergie motrice (cas des horloges) ;
-
pour emmagasiner puis restituer rapidement de l’énergie motrice (cas des contacts électriques, des ressorts de soupapes, du déploiement des panneaux solaires des satellites) ;
-
pour limiter la force due à un choc (cas des tampons) ;
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pour filtrer une vibration (cas des suspensions).
Le champ des applications des ressorts est donc vaste et certaines de ces applications sont potentiellement critiques lorsque les mécanismes sont de haute technologie (i.e. satellites) ou mettent en jeu des vies humaines (i.e. ressorts de suspension des voitures).
L’objectif de cet article est d’aider les ingénieurs à mieux concevoir les ressorts en fonction des applications ciblées. À cet effet, les grandes lois mécaniques qui régissent le fonctionnement des ressorts sont présentées. Cela permet de mettre en place une classification des ressorts selon les sollicitations internes (contraintes normales ou tangentielles). Ensuite, les diverses catégories de matériaux utilisables sont détaillées ainsi que les procédés de fabrication associés. Enfin, les critères influençant la durée de vie des ressorts en acier (les plus utilisés) sont analysés.
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Théorie statique
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2. Principes généraux
Les ressorts peuvent être considérés comme des poutres (ou des ensembles de poutres, s’il s’agit de ressorts à lames) soumises aux lois générales de la résistance des matériaux sous réserve de leurs conditions restrictives constituant les hypothèses fondamentales de la résistance des matériaux (cf. article Théorie des poutres [C 2 010]) et qui peuvent s’exprimer comme suit :
-
les actions extérieures s’exerçant sur la poutre sont soit une force P supposée appliquée au centre d’une section droite, soit un couple C appliqué à une section droite ;
-
les diverses conditions de forme et de charge entraînent une déflexion (ou déplacement du point d’application de la force P) dirigée suivant la ligne d’action de P, ou une rotation de la section d’application de couple C autour d’un axe parallèle à celui de C ;
-
il n’existe aucune résistance passive ;
-
la force P (ou le couple C) agit lentement et progressivement de manière à amener la pièce de son état initial à son état final d’équilibre sans qu’elle prenne à aucun moment d’énergie cinétique ; on admet que la déflexion est assez petite pour pouvoir être considérée comme proportionnelle à l’effort ; c’est le type même de la déformation statique.
Ces considérations conduisent à une relation de proportionnalité entre la force P (ou le couple C) et la déflexion pour la majorité des ressorts. En pratique, ces conditions ne peuvent être toujours exactement remplies et la théorie des ressorts, dérivée des lois de la résistance des matériaux ne peut constituer qu’une approximation.
Dans le cas où les conditions restrictives ne sont pas remplies, on a intérêt à reprendre l’étude en fonction des conditions réelles d’utilisation et à définir de nouvelles formules valables dans le cas considéré. Par exemple, l’ingénieur peut jouer sur les propriétés matériaux, les grands déplacements et/ou les contacts internes en cours de fonctionnement pour obtenir des comportements volontairement...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - WICHELHAUS (A.) et al - Mechanical behavior and clinical application of nickel-titanium closed-coil springs under different stress levels and mechanical loading cycles. - Am J Orthod Dentofacial Orthop, n° 137 : 671 (8 pages). doi :10.1016/j.ajodo.2008.06.029 (2010).
-
(2) - PAREDES (M.) - Analytical and Experimental Study of Conical Telescoping Springs. - ASME Journal of mechanical design, n° 135, 094502 (7 pages). doi :10.1115/1.4024721 (2013).
-
(3) - KOBELEV (V.) - Smart springs. - 7th international Congress for SPRINGMAKERS (2013).
-
(4) - KOBELEV (V.) - Duability of Springs. - Springer, ISBN 978-3-319-58477-5, doi :10.1007/978-3-319-58478-2 (2018).
-
(5) - SHIMOSEKI (M.) et al - FEM for Springs. - Springer, ISBN 978-3-540-00046-4, doi :10.1007/978-3-662-05044-6 (2003).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
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Aciers pour traitement thermique, aciers alliés et aciers pour décolletage – Partie 1 : aciers non alliés pour trempe et revenu. - NF EN ISO 683-1 - Juin 2018
-
Aciers pour traitement thermique, aciers alliés et aciers pour décolletage – Partie 2 : aciers alliés pour trempe et revenu. - NF EN ISO 683-2 - Juin 2018
-
Aciers pour traitement thermique, aciers alliés et aciers pour décolletage – Partie 3 : aciers pour cémentation. - NF EN ISO 683-3 - Février 2019
-
Aciers laminés à chaud pour ressorts trempés et revenus – Conditions techniques de livraison. - NF EN 10089 - Avril 2003
-
Barres, fil machine et fils en acier pour transformation à froid et extrusion à froid – Partie 1 : conditions techniques générales de livraison. - NF EN 10263-1 - Novembre 2017
-
Barres, fil machine et fils en acier pour transformation à froid et extrusion à froid – Partie 2 : conditions techniques de livraison des aciers n’étant pas destinés à un traitement thermique après travail à froid. - ...
ANNEXES
1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Amic, le spécialiste de la corde à piano
Alloy wire international
CGR international
https://www.cgr-international.com
Delaval
https://www.ressorts-delaval.com
Filressort
Lee Spring, leespring.com
Ressorts Masselin
Rosta, ressorts en caoutchouc
https://www.rosta.ch/fr/produits/technologie-des-ressorts-elastiques
Vanel
VIT ressorts
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