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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)
-
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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Autres ressorts enroulés : flexibilités variables
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3. Spécificités des ressorts hélicoïdaux de traction
3.1 Attaches du ressort de traction
En plus des N spires dites utiles qui interviennent dans le calcul de la flexibilité (ou son inverse, la raideur), les ressorts hélicoïdaux comportent des moyens de liaison appelés attaches pour le ressort de traction.
Les forces sont appliquées au ressort de traction :
-
soit par des anneaux, boucles ou crochets formés dans le fil même du ressort (figure 24) pour les formes les plus courantes ;
-
soit par des accessoires assemblés au ressort (figure 25).
Les ressorts (a), (b) et (d) de la figure 25 comportent des noix vissées dans le ressort qui n’obligent pas à une reprise après enroulement.
Lorsque l’on utilise des boucles pour les extrémités, le nombre de spires utiles N devient un nombre entier plus une portion de tour fixe pour obtenir l’orientation souhaitée entre les extrémités.
D’un point de vue pratique, il est possible de demander à fabriquer des ressorts avec des boucles sur mesure pour une application donnée. Attention toutefois, il convient de privilégier les extrémités permettant d’avoir un effort externe dans l’axe du ressort car un effort désaxé engendre une augmentation du moment de torsion dans le fil.
L’exécution d’une boucle ou d’un crochet sur un ressort de traction en gros fil enroulé à froid oblige à un chauffage qui diminue la résistance du fil. Les boucles doivent être définies avec soin car elles sont souvent le lieu de la rupture du ressort.
HAUT DE PAGE3.2 Paramètres du ressort de traction
La figure 26 présente les paramètres constructifs (en bleu) et fonctionnels (en vert) des ressorts de traction.
De plus, le ressort traction est conçu pour emmagasiner puis restituer de l’énergie. Son fonctionnement est donc caractérisé par les 2 points extrêmes de fonctionnement. Lorsque le ressort est connu, 2 paramètres fonctionnels sont donc requis pour caractériser le fonctionnement. Les paramètres fonctionnels sont représentés...
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Spécificités des ressorts hélicoïdaux de traction
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
-
...
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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