Comprendre les différents types de ressorts : Un guide complet

Les ressorts sont des composants mécaniques qui stockent et libèrent de l'énergie lorsqu'ils subissent une déformation sous l'effet d'une force appliquée. La plupart des ressorts sont métalliques et se présentent sous différentes formes et types selon leur fonction mécanique. L'objectif le plus simple d'un ressort est d'emmagasiner de l'énergie sous l'effet d'une force spécifique et de la libérer lorsque la force est retirée et que le ressort reprend sa forme.

Cette propriété élastique des ressorts est due au fait que le matériau peut changer de forme et de taille sous l'effet d'une force et revenir à sa taille et à sa forme d'origine lorsque la force est supprimée.

Fonction mécanique des ressorts

Le rôle mécanique des ressorts résulte de la loi de Hooke. Selon cette loi, la force exercée sur un ressort est en corrélation avec le déplacement du ressort. La représentation mathématique de la loi de Hooke est la suivante :

F = kx,

F est la force avec laquelle un ressort est comprimé ou étiré, k est la constante du ressort, et x est le déplacement.

Les ressorts peuvent remplir différentes fonctions.

Tout d'abord, les ressorts peuvent subir une compression. Les ressorts se déforment sous l'effet de la charge et exercent une force opposée. Grâce à la compression, les ressorts sont utiles dans les amortisseurs et les matelas.

Deuxièmement, les ressorts se déploient et se rétractent sous l'effet d'une force de traction. Ils accumulent de l'énergie potentielle et sont utiles pour les trampolines et les portes de garage. Les ressorts subissent également une torsion.

Les ressorts hélicoïdaux, qui peuvent se tordre et s'enrouler pour emmagasiner de l'énergie, se trouvent dans les pièges à souris et les pinces à linge. Certains ressorts peuvent exercer une force constante. Ces ressorts fournissent une force continue lors de la déflexion, par exemple, dans des dispositifs tels que les ceintures de sécurité à enrouleur.

Ressorts de compression : Conception, utilisation et variantes

Les ressorts de compression sont des ressorts hélicoïdaux qui supportent des charges de compression et stockent l'énergie mécanique dans le processus de compression. Généralement fabriqués à partir d'un fil rond, ils sont enroulés en hélice pour se comprimer sous l'effet d'une force appliquée.

Selon l'application, ces ressorts peuvent être fabriqués à partir de différents matériaux, tels que l'acier au carbone, l'acier inoxydable ou des alliages spéciaux, chacun offrant différents niveaux d'élasticité, de résistance à la corrosion et de résistance à la fatigue. Les ressorts de compression sont largement utilisés dans les environnements à forte charge tels que les machines industrielles, les instruments de précision et les suspensions automobiles, où les propriétés des matériaux et la géométrie des ressorts sont essentielles pour obtenir des performances optimales.

L'objectif principal d'un ressort de compression est de résister à la charge et de retrouver sa dimension d'origine lorsque la charge est relâchée. Cette propriété de stockage de l'énergie fait des ressorts de compression l'un des types les plus polyvalents dans de nombreuses applications.

Fonctionnement des ressorts de compression

Le fonctionnement des ressorts de compression commence par l'application d'une force. Cette force comprime les spires du ressort.

La force et la compression représentent l'énergie potentielle du ressort. L'ampleur de la compression détermine la force que le ressort exerce en retour. La force est directement proportionnelle à la compression, selon la loi de Hooke. Cela signifie que la compression du ressort accumule de l'énergie jusqu'à la libération de la charge. Le ressort libère toute son énergie en éliminant la charge et en reprenant sa forme et sa longueur d'origine.

La constante du ressort, la rigidité ou la vitesse du ressort ( k ) définit la force nécessaire pour comprimer le ressort sur une distance donnée.

Éléments des ressorts de compression

Diamètres des ressorts

Un ressort de compression droit et hélicoïdal est construit à partir d'un fil de diamètre constant, formant une hélice cylindrique. Pour définir les principales dimensions diamétrales d'un ressort de compression, les équations suivantes sont utilisées sur la base de la vue en coupe transversale :

d=(D_o-D_i)/2,

D=(D_o+D_i)/2

Dans ces équations, ddd représente le diamètre du fil en millimètres (mm), DiDiDi est le diamètre intérieur du ressort (mm), DoDoDo est le diamètre extérieur (mm), et DDD désigne le diamètre moyen (mm).

Indice de printemps (C)

L'indice de ressort (C) est le rapport entre le diamètre moyen de la bobine et le diamètre du fil. Il joue un rôle crucial dans la fabrication et les performances du ressort. En général, un indice de ressort compris entre 4 et 12 est facile à fabriquer, mais un indice de 6 à 9 est souvent préféré pour les applications à charge cyclique, car il offre un équilibre optimal entre flexibilité et durabilité. Des indices de ressort plus faibles (indiquant des spires plus serrées) donnent des ressorts plus rigides, mais ils sont plus difficiles à produire. En revanche, des indices plus élevés rendent le ressort plus souple, mais cela peut entraîner des problèmes tels que l'instabilité et le flambage sous charge.

C=D/d

où C = indice de ressort [sans unité]

Pas du ressort (p)

Le pas est la distance entre les deux spires consécutives à partir du milieu du matériau du ressort lorsque le ressort est dans son état le plus détendu. Cette valeur n'est pas la même que la distance entre deux spires consécutives. Elle est plus longue car elle inclut les rayons des deux spires voisines.

p=(L_f-3d)/N_a

Où, p = pas du ressort [mm], L_f = longueur libre [mm], d = diamètre du fil [mm] et N_a = nombre de bobines actives

Constante de printemps

La rigidité, quant à elle, est une propriété inhérente à un ressort de compression qui détermine la façon dont il se déforme lorsqu'il est soumis à une force. Elle dépend de la géométrie et des matériaux utilisés pour construire le guide d'ondes.

k=dG/8C³N_a

Où k = taux d'élasticité [N/mm] et G = module d'élasticité de cisaillement du matériau du fil [N/mm].²].

Utilisations courantes des ressorts de compression

Les ressorts de compression sont l'un des types les plus courants et sont utiles dans diverses industries et installations. Ils sont couramment utilisés dans le secteur automobile pour la suspension des voitures. Ils contribuent à minimiser les chocs et à assurer la stabilité. Ils s'appliquent également aux soupapes du moteur, en maintenant la tension pour un fonctionnement efficace. Les ressorts de compression sont très utiles dans l'industrie aérospatiale, en particulier dans les trains d'atterrissage, où ils facilitent le pliage et la mise en place des trains.

Dans divers systèmes de commande, ils jouent un rôle essentiel dans le contrôle des forces et des mouvements. Les ressorts utilisés dans les seringues, les inhalateurs et les prothèses contrôlent les mouvements et fournissent une force constante. Les ressorts de compression sont essentiels dans de nombreux biens de consommation, tels que les instruments d'écriture à parties rétractables. Ils aident les matelas à supporter le poids du corps et offrent un soutien confortable.

En outre, dans les machines, il trouve des applications dans les embrayages, les vannes et les actionneurs d'équipements industriels afin de réguler correctement la force et le mouvement.

Différents types de ressorts de compression

Les ressorts de compression sont disponibles dans différentes formes et conceptions pour s'adapter aux applications. Parmi les types les plus courants, on peut citer

Ressorts de compression cylindriques

Leur conception est typique, la bobine ayant une circonférence constante. La simplicité de la construction du commutateur et son efficacité élevée le rendent utile dans de nombreuses applications.

Ressorts de compression coniques

Ces ressorts sont cylindriques, mais leurs spires sont coniques. Le diamètre diminue d'une extrémité à l'autre du ressort. Ils sont utiles dans les applications où l'espace est un luxe, comme les contacts de batterie ou les structures télescopiques.

Ressorts de compression du canon

Les ressorts de compression en forme de tonneau sont cylindriques, avec un diamètre plus grand au centre et un diamètre plus petit vers les deux extrémités. Ces conceptions offrent une capacité plus remarquable à empêcher le flambage et sont donc plus appropriées pour les applications dans lesquelles une stabilité latérale est nécessaire, telles que les isolateurs de vibrations.

Ressorts de compression en sablier

Comme les ressorts en tonneau, les ressorts en sablier ont le plus grand diamètre à l'extrémité et le plus petit à mi-portée du ressort. Ils assurent la stabilité et l'anti-flexion et résistent efficacement aux charges latérales alternées auxquelles le ressort peut être confronté.

Ressorts de compression à pas variable

Ces ressorts présentent des densités de bobines variables sur toute leur longueur. Cette conception augmente la rigidité du ressort en compression, ce qui le rend adapté aux applications impliquant une force variable, comme les systèmes de support de charge.

Ressorts de compression emboîtés

Parfois, dans certaines applications, plusieurs ressorts de compression se combinent pour augmenter leur charge ou fournir un modèle de force particulier. Cette configuration est standard pour les applications nécessitant plus d'un seul ressort, principalement dans les cas de charge élevée.

Ressorts d'extension : Mécanique, applications et personnalisation

Les ressorts d'extension sont conçus pour résister à une force de traction ou de tirage, contrairement aux ressorts de compression, qui résistent aux forces de compression. Lorsqu'une force extérieure étire le ressort, l'énergie mécanique est stockée dans le matériau. La force nécessaire pour allonger le ressort suit la loi de Hooke, ce qui signifie que la force est proportionnelle au déplacement.

Les ressorts de traction sont munis de crochets, de boucles ou d'autres méthodes de fixation à chaque extrémité, ce qui facilite leur intégration dans les systèmes mécaniques. Largement utilisés dans des applications dynamiques telles que les systèmes de freinage automobile et les mécanismes de portes de garage, ils maintiennent la tension et rétablissent les composants dans leur position d'origine lorsqu'ils sont relâchés.

Lorsque la force est supprimée, le ressort libère de l'énergie, ce qui lui permet de se contracter pour retrouver sa longueur initiale. La force nécessaire pour allonger le ressort dépend de la loi de Hooke. Les ressorts de traction sont généralement munis de crochets, de boucles ou d'autres méthodes de fixation à chaque extrémité, ce qui leur permet de se connecter à différents composants du système. La tension qui résulte de l'extension du ressort permet de maintenir une connexion stable entre ces composants.

Applications des ressorts d'extension

Les ressorts de traction sont largement utilisés dans de nombreux domaines qui impliquent une tension ou une force de traction au sein de l'équipement. Ces ressorts remplissent un large éventail de fonctions dans la construction automobile. Dans les ensembles de freinage, ils sont chargés de ramener la pédale de frein à son état initial après l'avoir enfoncée. Dans les coffres ou les capots, ils contribuent aux opérations d'ouverture et de fermeture.

Les ressorts de traction sont utiles dans les appareils ménagers tels que les lave-linge et les lave-vaisselle, car ils permettent de contrôler le mouvement des portes et des couvercles.

Parmi les autres applications des ressorts de traction, on peut citer les portes de garage basculantes, qui agissent contre le poids de la porte. Il est ainsi plus facile de soulever la porte manuellement ou à l'aide d'un dispositif d'ouverture.

Ils sont également essentiels pour les jouets et les outils, par exemple dans les porte-clés rétractables et les outils à main de serrage par lesquels la tension se produit. Les ressorts d'extension sont obligatoires dans les trampolines car ils s'étirent et se contractent lorsque les utilisateurs du trampoline sautent.

Ressorts de torsion : Fonctionnalité, types et utilisations industrielles

Les ressorts de torsion sont en spirale et ont une nature incurvée, soit dans le sens des aiguilles d'une montre, soit dans le sens inverse, dans le but de stocker et de récupérer l'énergie mécanique. Ce type de ressorts, contrairement aux ressorts de compression et d'extension, ne sont pas soumis à une force linéaire de compression ou d'extension, mais plutôt à des forces de rotation ou angulaires.

Les bornes du ressort sont généralement en contact avec d'autres pièces. En tournant la partie centrale du ressort, le ressort s'enroule et peut ainsi emmagasiner de l'énergie. Lorsque l'on relâche la force, l'énergie potentielle fait revenir le ressort dans sa position et offre le couple nécessaire pour faire tourner les autres pièces.

Comment les ressorts de torsion stockent et libèrent l'énergie

Les ressorts de torsion fonctionnent sous l'effet d'une force sous forme de couple, qui entraîne la rotation du ressort. Le couple est directement lié à l'angle de torsion et à la constante du ressort, ainsi qu'au diamètre du fil et à la géométrie de la bobine. Lorsqu'un ressort de torsion est tordu, il emmagasine de l'énergie sous forme d'énergie potentielle élastique dans le matériau du ressort. En relâchant la charge, l'énergie se transforme en énergie cinétique, ce qui permet au ressort d'appliquer une force au reste des composants qui contribuent à ramener le corps à sa position initiale.

Ce mécanisme est largement applicable à différentes applications, telles que l'offre d'une rotation limitée, la garantie simultanée de l'orientation spécifique des composants ou la création d'une tension dans les systèmes automatiques.

Applications industrielles courantes des ressorts de torsion

Les ressorts de torsion sont des composants essentiels dans différentes industries et commerces qui nécessitent un contrôle de la force de rotation. Dans les applications automobiles, ils sont essentiels dans les couvercles de coffre, les charnières de capot et les hayons pour contrôler les mouvements d'ouverture et de fermeture. En outre, les ressorts de torsion sont utiles dans la direction, où ils aident à ramener le volant à sa position centrale, comme nous le verrons plus loin.

Dans l'aérospatiale, ils sont essentiels dans les pièces du volume de contrôle des avions, comme les ailerons et les volets, pour faciliter la force de rappel et l'alignement réel. Les ressorts de torsion contribuent également à soutenir le déploiement et la rétraction des mécanismes des trains d'atterrissage afin qu'ils puissent fonctionner sans problème et sans accroc.

Les ressorts de torsion sont utilisés dans les machines industrielles telles que les embrayages, les leviers et les actionneurs pour fournir la force nécessaire au fonctionnement des composants mécaniques et maintenir la tension. Ils sont également utiles dans les portes et les fenêtres, comme les portes de garage et les portes industrielles à enroulement, qui permettent de contrebalancer le poids de la porte et, par conséquent, de faciliter son fonctionnement.

Les dispositifs électriques sont essentiels pour maintenir la pression de contact des interrupteurs et des disjoncteurs - ils permettent à l'interrupteur de revenir à l'état par défaut après qu'il a été réglé pour fonctionner. En outre, ces ressorts sont utiles dans les outils à main tels que les pinces, les serre-joints et les cliquets, qui maintiennent les pièces mobiles en position et fournissent la force nécessaire pour remettre l'outil à main dans sa position initiale après utilisation.

Types de ressorts de torsion

Il existe différents types de ressorts de torsion, chacun étant adapté à des applications spécifiques :

Ressorts de torsion simples

Ce sont les ressorts les plus populaires car ils offrent une force de rotation dans une direction spécifique. Ils s'appliquent lorsque le ressort doit tourner et revenir dans une seule direction.

Ressorts de torsion doubles

Les ressorts de torsion doubles ont deux spires dans des directions opposées et sont reliés par une section centrale. Cette conception permet d'obtenir un degré de couple et de flexibilité plus élevé.

Ressorts de torsion sur mesure

Les ressorts de torsion peuvent donc prendre différentes formes, notamment en ce qui concerne le diamètre du fil, le nombre de spires, la longueur des branches et le type de matériau. Des conceptions de joints sur mesure peuvent être nécessaires dans les cas où l'application a des besoins spécifiques en termes d'espace disponible ou d'application de la force.

Ressorts à lames : Structure, avantages et applications automobiles

Un ressort à lames est un type de composant de suspension généralement fabriqué en empilant plusieurs bandes métalliques minces et flexibles parallèlement les unes aux autres, créant ainsi une forme semi-elliptique. Les matériaux de fabrication sont généralement de l'acier à haute résistance. Les deux extrémités du ressort à lames sont inventées soit directement pour l'ossature du véhicule, soit par l'intermédiaire de manilles pour permettre au ressort de rebondir et de supporter les chocs. Les ressorts sont fabriqués en couches afin de pouvoir supporter des charges importantes avec une répartition appropriée du poids et des contraintes sur toute la longueur du ressort.

Avantages des ressorts à lame

Les avantages des ressorts à lames résident dans le fait qu'ils sont largement utilisés dans de nombreux véhicules, en particulier les poids lourds et les véhicules tout-terrain. La conception multicouche du ressort à lames permet une répartition efficace de la charge sur toute sa longueur, ce qui améliore la stabilité et la capacité de charge. Cette conception réduit les concentrations de contraintes et aide à répartir uniformément les forces, ce qui améliore la durabilité et prolonge la durée de vie du système de suspension.

En raison de leur nombre minimal de pièces et de leur conception, la construction des ressorts à lames est basique et facile à mettre en œuvre ; peu de composants bougent, ce qui permet aux ressorts d'avoir une durée de vie plus longue que la plupart des autres systèmes de suspension disponibles. Les ressorts à lames sont également économiques car ils ont des structures relativement simples et sont faciles à fabriquer. Ils conviennent bien aux véhicules de grande taille et encombrants.

La suspension des roues arrière et avant par des ressorts à lames permet au système de supporter des charges massives, ce qui aide à transporter des charges telles que des remorques et des camions sans affecter la stabilité. Leur conception maintient l'équilibre nécessaire entre rigidité et flexibilité. Elle contribue à la stabilité du véhicule, qui est essentielle pour la maniabilité et la sécurité, et à la stabilité de la hauteur de conduite sous charge.

Applications automobiles des ressorts à lames

Les lames de ressort sont des composants essentiels des systèmes de suspension qui fonctionnent dans la plupart des automobiles. Dans les camions, les remorques et autres véhicules utilitaires, le système de ressorts à lames est la forme la plus connue de système de suspension. Les ressorts supportent la charge tout en maintenant le véhicule en équilibre, même lorsqu'il est lourdement chargé. Grâce à leur bonne construction, ils peuvent absorber et minimiser les vibrations de la route, offrant ainsi une conduite souple grâce au contact constant entre les pneus et la route.

De plus, comme le ressort à lames ne subit qu'une usure mineure, il est parfait pour les terrains accidentés et les véhicules très sollicités. Aujourd'hui encore, les ressorts à lames sont précieux pour les véhicules tout-terrain et certains modèles plus anciens de voitures particulières. Ils peuvent supporter un poids considérable tout en maintenant la hauteur de conduite et la stabilité, qui sont essentielles pour la sécurité et le confort.

Conclusion

Il est essentiel de connaître les différents types de ressorts pour pouvoir choisir celui qui convient le mieux. Chacun d'entre eux possède différents types de mécanique et remplit différentes fonctions, ce qui les rend idéaux pour de nombreuses applications industrielles, automobiles et domestiques. Les ressorts de compression sont plus précieux parce qu'ils stockent l'énergie c, tandis que les ressorts de traction sont essentiels dans les assemblages de tension. Les ressorts de torsion permettent une force de rotation, et les ressorts à lames fournissent un soutien durable dans les applications de charges lourdes.

La compréhension des types de ressorts est utile aux ingénieurs et aux concepteurs de systèmes mécaniques pour améliorer les performances, la durabilité, les facteurs de sécurité et la fiabilité.