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RÉSUMÉ
Cet article traite des considérations générales relatives aux liaisons élastiques appelées communément ressorts mécaniques avec un chargement axial. La première partie de l’article traite de la géométrie la plus courante en hélice cylindrique avec pas constant. Les formules usuelles de travail sont présentées pour des fils ronds et rectangulaires. Ensuite les spécificités de calculs de ressorts de compression puis de traction sont détaillées et accompagnées d’exemples de calculs. La fin de l’article présente d’autres configurations permettant d’obtenir des comportements effort/hauteur non linéaires avec des ressorts multiples, des ressorts cylindriques à pas variable, des ressorts coniques et en volute.
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This article discusses general considerations relating to elastic connections commonly referred to as mechanical springs with axial loading. The first part of the article deals with the most common geometry of a cylindrical helix with constant pitch. The usual working formulas in compression and in tension are presented for round and rectangular wires. Then, additional concepts are discussed to obtained a non-linear load-length behavior: multiple springs, cylindrical springs with variable pitch, conical springs and volute springs.
Auteur(s)
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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 - Cet article est la réédition de l’article [B 5 435] rédigé en 1984 par Michel DUCHEMIN.
INTRODUCTION
Les liaisons élastiques sont très souvent utilisées pour absorber puis restituer de l’énergie dans les systèmes mécaniques. On les trouve à la fois sur des applications assez basiques (pinces à linges, stylos…) et aussi sur des applications de haute technologie (amortisseurs de véhicules, soupapes de moteurs, mécanismes de déploiement des panneaux de satellites) pour lesquelles il est primordial de maîtriser pleinement le comportement du ressort.
Pour autant, la conception des liaisons élastiques est malheureusement parfois négligée et cela peut conduire à des soucis relevés bien tardivement en phase de prototypage et qui génèrent des phases de reprise de conception potentiellement coûteuses et chronophages.
L’objectif de cet article est ainsi de diffuser les notions théoriques et pratiques sur la conception et la fabrication des liaisons élastiques. Pour aller plus loin, nous partageons également des astuces de conception, les principaux pièges à éviter ainsi que des méthodes pratiques de dimensionnement qui peuvent faire gagner un temps précieux sur le développement des projets.
Dans cet article, nous traitons des caractéristiques de ressorts hélicoïdaux soumis à une force coaxiale. La géométrie la plus fréquente est l’hélice cylindrique à pas constant qui peut travailler en compression ou en traction. Sous un aspect a priori simple, la mise en œuvre correcte de liaisons élastiques hélicoïdales requiert une grande expertise. Nous abordons tout d’abord les notions essentielles de comportement d’un solide en hélice soumis à une force coaxiale. Ensuite, nous traitons spécifiquement des notions à intégrer pour les ressorts de compression puis pour les ressorts de traction. Nous détaillons pour chaque type de ressort, d’une part, les interdépendances entre les paramètres de conception qui, si elles sont mal appréhendées, conduisent à des cahiers des charges impossibles à respecter et, d’autre part, l’influence cruciale des extrémités qui font le lien entre le système et la partie travaillante du ressort. Dans la suite de l’article nous abordons en détail des géométries particulières aux comportements variés permettant ainsi à l’ingénieur de couvrir un très large spectre de cas d’applications (ressorts cylindriques à pas variable, ressorts coniques à pas constant, ressorts coniques à angle constant, ressorts en volute).
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KEYWORDS
compression | extension | cylindrical helix | conical spring | volute spring
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Glossaire
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5. Conclusion
Les ressorts en hélice sont très utiles pour stocker et restituer de l’énergie à partir d’un déplacement axial car ils sont peu onéreux et sont recyclables pour ceux constitués d’un matériau métallique. Les géométries simples, les ressorts cylindriques à pas constant, permettent d’obtenir des comportements linéaires souvent recherchés. Pour bien maîtriser leur fonctionnement, les points clés de la conception sont détaillés : influence du rapport d’enroulement, tenue en statique, en dynamique, flambage, relaxation, fluage, grenaillage, préconformation des ressorts de compression et tension initiale pour les ressorts de traction. Les géométries préconisées pour les extrémités des ressorts sont également détaillées : spires additionnelles pour les ressorts de compression et boucles ou crochets pour les ressorts de traction. Il est également possible de sortir de la géométrie standard pour des applications particulières. La diversité des formes possibles : variation d’angle, de pas, de rayon d’enroulement… permet d’obtenir des propriétés spécifiques comme par exemple des relations effort/hauteur non linéaires ou des ressorts escamotables. Les techniques de simulation par éléments finis, les possibilités de fabrication sur mesure, l’impression 3D ainsi que la diversité des matériaux disponibles (matériaux composites, alliages à mémoire de forme, céramiques) ouvrent sur un champ applicatif toujours plus large afin de permettre aux ingénieurs de relever les nouveaux défis technologiques.
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - YOUNG (W.C.), BUDYNAS (R.G.), SADEGH (A.M.) - Roark's formulas for stress and strain. - McGraw-Hill Education (2012).
-
(2) - BOCKWOLDT (T.S.), MUNSICK (G.A.) - Correction to design equation for spring diametral growth upon compression. - Journal of Mechanical Design, vol. 135, n° 12, p. 124503 (2013).
-
(3) - DYM (C.L.) - Consistent derivations of spring rates for helical springs. - ASME Journal of mechanical design, n° 131, 071004, doi :10.1115/1.3125888 (2009).
-
(4) - GUPTA (A.) - Determination of residual stresses for helical compression spring through Debye-Scherrer ring method. - Materials Today : Proceedings, vol. 25, p. 654-658 (2020).
-
(5) - McCAUGHEY (C.) - Residual Stresses due to Shot Peening in Springs. - Institute of Spring Technology (2020) https://www.ist.org.uk/post/residual-stresses-due-to-shot-peening-in-springs
-
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
-
Aciers pour traitement thermique, aciers alliés et aciers pour décolletage – partie I : 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 2022
-
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
Vanel
VIT ressorts
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