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Il y a six principaux types de ressorts utilisé dans les produits industriels et de consommation : ressorts de compression, ressorts d'extension, ressorts de torsion, ressorts à force constante, ressorts ondulés et ressorts à disque (Belleville). Chacun est défini par la manière dont il stocke et libère de l’énergie mécanique : compressé, étiré, tordu, tourné, aplati ou empilé. Le bon choix dépend de la direction de la charge, de l'espace disponible et du nombre de cycles de travail auxquels la pièce doit survivre, et presque tous sont formés aujourd'hui sur une machine contrôlée par ordinateur. machine à ressort plutôt qu'à la main.
La catégorie à laquelle appartient un ressort est en réalité un raccourci pour un comportement mécanique. Un ressort de compression repousse. Un ressort d'extension se retire. Un ressort de torsion résiste à une torsion. Une fois ce comportement corrigé, tout le reste (diamètre du fil, nombre de bobines, géométrie des extrémités et matériau) est un exercice de réglage pour atteindre une charge, une déflexion et une durée de vie cibles.
Ce guide décrit en profondeur chaque type de ressort, les matériaux qui les composent, comment une machine à ressorts moderne les façonne, comment les ingénieurs dimensionnent un ressort pour un cas de charge réel, où chaque type apparaît dans différentes industries, les points de défaillance courants, la finition et la protection contre la corrosion, et comment comparer les devis lors de l'approvisionnement en quantités de production.
Les ressorts de compression sont des ressorts à bobine ouverte conçus pour résister à une force de compression et repousser lorsqu'ils sont comprimés. Il s'agit du type de ressort le plus courant dans les assemblages mécaniques, apparaissant dans les matelas, les stylos à bille, les valves, les systèmes de suspension et les filières industrielles. Lorsqu'une charge rapproche les bobines, le ressort emmagasine de l'énergie et repousse le long du même axe une fois la charge relâchée.
Étant donné que les bobines sont séparées les unes des autres au repos, un ressort de compression peut être comprimé jusqu'à ce que les bobines se touchent – un état appelé hauteur solide. Une bonne conception maintient un ressort bien éloigné de la hauteur solide en fonctionnement normal, car des enfoncements répétés durcissent le fil au point de contact et raccourcissent la durée de vie en fatigue. La plupart des directives techniques maintiennent la déviation de travail à environ 80 % ou moins de la course totale disponible jusqu'à la hauteur solide, laissant une marge de sécurité pour les événements de dépassement.
Les ressorts de compression sont également définis par la façon dont les bobines d'extrémité sont finies. Les extrémités lisses laissent le fil coupé selon un angle correspondant à l'hélice, ce qui est rapide à produire mais permet au ressort de basculer légèrement sous la charge. Les extrémités carrées sont rectifiées ou pressées à plat afin que le ressort se tienne debout sur une surface plane sans basculer, et les extrémités carrées et rectifiées vont encore plus loin en meulant la bobine d'extrémité parfaitement plate, ce qui est courant partout où le ressort doit reposer uniformément contre une plaque plate, comme dans les ensembles de vannes.
Une qualité de production machine à ressort forme des ressorts de compression en faisant passer le fil à travers un ensemble de rouleaux d'alimentation et en l'enroulant autour d'un mandrin ou d'une broche de formage, puis un outil de coupe sépare chaque bobine à une longueur programmée. Les machines contrôlées par CNC peuvent maintenir des tolérances de pas suffisamment serrées pour maintenir la variation de la raideur du ressort en dessous d'environ 3 % au cours d'un cycle de production, ce qui est important pour les pièces où une force constante est essentielle, comme les ressorts de soupape. Les lignes à ressorts de compression à grand volume associent généralement la tête d'enroulement à une station de meulage en ligne afin que les extrémités carrées puissent être finies sans opération secondaire distincte.
Les ressorts d'extension sont des bobines étroitement enroulées qui résistent à une force de traction et tentent de revenir à leur longueur d'origine une fois relâchées. Contrairement aux ressorts de compression, leurs spires sont rapprochées au repos – généralement avec une tension initiale intégrée – de sorte que le ressort ne commence à s'étirer que lorsque la force appliquée dépasse cette précharge. Les mécanismes de portes de garage, les trampolines, les portes moustiquaires et les interrupteurs à bascule reposent tous sur des ressorts d'extension.
La tension initiale est l’une des propriétés les plus mal comprises d’un ressort d’extension. Étant donné que les bobines sont étroitement enroulées les unes contre les autres pendant le formage, le ressort résiste à toute traction jusqu'à ce que la force appliquée dépasse la tension intégrée - alors seulement il commence à s'étirer proportionnellement à la charge supplémentaire. Les concepteurs précisent délibérément cette tension initiale, car une tension trop faible permet au ressort de s'affaisser au repos, tandis qu'une tension trop forte rend le mécanisme rigide au début de sa course.
La plupart du travail de conception d’un ressort d’extension se produit aux extrémités, et non au corps de la bobine. Les crochets de machine, les boucles croisées, les boucles latérales et les œillets étendus modifient chacun la façon dont le ressort se monte et la façon dont la contrainte se concentre au niveau du virage. Étant donné que la courbure du crochet est généralement le point de départ de la rupture par fatigue, la géométrie du crochet est souvent le facteur limitant dans la durée de vie d'un ressort plutôt que la bobine elle-même.
Sur une machine à ressorts moderne, la formation des crochets s'effectue dans le même cycle que l'enroulement : une fois que l'outil d'enroulement a enroulé le corps, un outil secondaire tourne et plie l'extrémité du fil en forme de crochet avant la coupure. Cela permet de maintenir un alignement cohérent du crochet, ce qui est l'une des plaintes de qualité les plus courantes lorsque les ressorts d'extension sont formés à la main. L'angle constant du crochet est également important pour la façon dont le ressort est suspendu à son support de montage : un crochet tordu peut introduire une charge latérale indésirable pour laquelle le corps de la bobine n'a jamais été conçu.
Les ressorts de torsion stockent de l'énergie lorsqu'ils sont tordus autour de leur axe plutôt que d'être poussés ou tirés le long de celui-ci. Le corps de la bobine résiste au déplacement angulaire et les pieds droits à chaque extrémité transmettent cette force de rotation à l'ensemble. Les pinces à linge, les pièges à souris, les systèmes de contrepoids des portes de garage et les charnières des portes d'armoires en sont des exemples typiques.
Contrairement aux ressorts de compression et d'extension, un ressort de torsion est presque toujours conçu pour fonctionner avec un diamètre de bobine légèrement réduit à mesure qu'il s'enroule sous charge. Cela signifie que l'arbre ou le mandrin sur lequel il repose doit être dimensionné avec un jeu pour cette réduction, sinon les bobines se lieront contre l'arbre avant que le ressort n'atteigne sa course prévue - un détail qui surprend de nombreux concepteurs débutants.
| Caractéristique du ressort de torsion | Effet de conception |
|---|---|
| Sens de la bobine (gauche ou droite) | Doit correspondre à la direction dans laquelle le ressort est censé s'enrouler sous charge, sinon les bobines se dérouleront au lieu de se serrer. |
| Configuration des jambes | Les pieds droits, articulés ou inclinés déterminent la manière dont le couple est transféré dans l'assemblage environnant. |
| Nombre de bobines actives | Un plus grand nombre de bobines diminue généralement le taux de couple et augmente la course de rotation disponible |
| Style de corps (à plaie fermée ou espacée) | Les bobines à enroulement serré réduisent le bruit de friction entre les bobines ; les bobines espacées réduisent les risques de grippage sous une charge lourde |
Au-delà des exemples domestiques, les ressorts de torsion apparaissent dans les mécanismes de contrepoids pour les lourdes portes basculantes, les ressorts de rappel dans les ensembles à cliquet et à cliquet, les ferme-charnières sur les armoires et les boîtiers, et les mécanismes de serrage où une force de rotation légère et constante est nécessaire pour maintenir deux pièces ensemble sans fixation séparée.
Les ressorts de torsion sont généralement formés sur une machine à ressorts CNC équipée d'une tête rotative de flexion des jambes, car la précision de l'angle des jambes affecte directement la façon dont le ressort s'insère dans ses trous de montage. Un pied décalé, même de quelques degrés, peut créer une incohérence de précharge sur une chaîne d'assemblage. C'est pourquoi l'angle du pied est l'une des premières dimensions vérifiées lors de l'inspection à réception d'une nouvelle configuration d'outillage.
Les ressorts Belleville sont des rondelles en forme de cône qui s'aplatissent sous une charge axiale. Les empiler en série augmente le déplacement, tandis que les empiler en parallèle augmente la capacité de charge, ce qui les rend utiles partout où un concepteur a besoin d'une courbe de force spécifique dans un espace axial très court – les assemblages à brides boulonnées et les machines lourdes en sont des exemples courants. Une propriété utile des disques ressorts est que leur courbe de force peut être ajustée en fonction de la hauteur de leur cône par rapport à leur épaisseur : un cône peu profond donne une réponse de force presque linéaire, tandis qu'un cône plus grand peut être ajusté pour produire une courbe de force plate ou même cassante, ce qui est utile dans les mécanismes de libération en cas de surcharge.
Les ressorts ondulés utilisent une forme ondulée en forme d'anneau au lieu d'une bobine à fil rond, délivrant la même force de ressort qu'un ressort hélicoïdal sur environ un tiers à la moitié de la hauteur comprimée. Les applications de précharge de roulement et de petits connecteurs électroniques favorisent les ressorts ondulés lorsque l'espace axial est limité. Ils sont généralement produits en variétés à un tour, à plusieurs tours et emboîtées, avec des ressorts ondulés à plusieurs tours couramment utilisés lorsqu'une hauteur de travail plus élevée est disponible mais que l'espace radial est encore restreint.
Laminé à partir d'une bande plate précontrainte plutôt que d'un fil rond, un ressort à force constante fournit presque la même force de sortie sur toute sa plage d'extension au lieu d'une courbe de force croissante. Les mètres rubans rétractables, les mécanismes de contrepoids et les enrouleurs de câble s'appuient sur ce comportement. Étant donné que la bande est enroulée sur elle-même en un rouleau serré au repos et se déroule sous charge, la force produite reste remarquablement plate par rapport à la résistance croissante d'un ressort hélicoïdal.
Les ressorts à gaz constituent une catégorie complètement différente : un cylindre scellé avec du gaz comprimé et une tige de piston, utilisé lorsqu'une extension contrôlée et amortie est nécessaire, comme les jambes de force des trappes d'automobile et les chaises de bureau réglables. Ils sont fabriqués sur un équipement de remplissage hydraulique plutôt que sur une machine à ressorts formant fil.
Deux types moins courants mais toujours pertinents complètent la catégorie des spécialités. Les ressorts à volute sont des bandes plates enroulées en forme de cône et fonctionnent comme un ressort de compression avec une excellente résistance au flambage, historiquement utilisés dans les suspensions de véhicules lourds. Les ressorts serpentins sont formés d'un zigzag continu de fil rond et étaient autrefois courants dans les sièges rembourrés, appréciés pour répartir la charge uniformément sur un large plateau de siège plutôt que de la concentrer en quelques points.
Le type de ressort produit dicte généralement quel alliage de fil a du sens, et chaque alliage se comporte différemment une fois passé dans une machine à ressorts.
Deux dimensions dominent le comportement d'un ressort plus que toute autre variable : le diamètre du fil et l'indice du ressort, le rapport entre le diamètre de la bobine et le diamètre du fil. Un fil plus épais augmente considérablement la rigidité, puisque la raideur du ressort évolue avec la quatrième puissance du diamètre du fil, tandis qu'un indice de ressort faible (une bobine serrée par rapport au fil) augmente la concentration de contraintes à l'intérieur de chaque bobine et rend le ressort plus difficile à former avec précision. La plupart des conceptions pratiques maintiennent l'indice du ressort entre environ 4 et 12 ; les ressorts enroulés plus serrés nécessitent un soin particulier lors de l'outillage et de la correction des contraintes, tandis que les ressorts enroulés plus lâches ont tendance à s'emmêler et à se déformer plus facilement.
Une machine à ressorts CNC modifie sa vitesse d'enroulement, sa vitesse d'alimentation du fil et la pression de la broche de formage en fonction de l'alliage chargé, car le fil plus dur a besoin de plus de force de formage mais rebondit davantage après que l'outil l'a relâché, un comportement appelé récupération élastique. Les machines construites pour une production en grand volume compensent généralement automatiquement cette récupération en surformant chaque bobine selon une marge calculée, ce qui est l'une des raisons pour lesquelles le bobinage automatisé a largement remplacé le formage manuel sur banc pour tout ce qui dépasse les quantités de prototypes. Les machines à ressorts servomoteurs modernes enregistrent ces données de compensation par lot, ce qui facilite grandement la reproduction de la géométrie exacte de la bobine la prochaine fois que le même lot de fil est utilisé.
Le choix d'un type de ressort n'est que la première étape. Le dimensionnement d'un ressort pour une application réelle se résume généralement à trois objectifs liés : la raideur du ressort (la force qui change par unité de déflexion), la contrainte maximale de sécurité à la déflexion complète et le nombre de cycles dont le ressort a besoin pour survivre avant que la fatigue ne devienne un problème.
La raideur du ressort décrit la rigidité du ressort – la force supplémentaire nécessaire pour chaque unité de déflexion supplémentaire. Pour un ressort hélicoïdal, le taux augmente avec le diamètre du fil et diminue à mesure que le diamètre de la bobine ou le nombre de bobines actives augmente. Deux ressorts peuvent paraître presque identiques et avoir néanmoins des raideurs très différentes si l'un a un diamètre de bobine légèrement plus grand ou deux bobines actives de plus que l'autre. C'est pourquoi la raideur du ressort, et pas seulement les dimensions physiques, est le nombre qui doit être spécifié et vérifié.
Les ressorts qui fonctionnent occasionnellement, comme un ressort de verrouillage ouvert plusieurs fois par jour, peuvent être conçus avec une marge de contrainte généreuse et dureront probablement plus longtemps que le produit qui les entoure. Les ressorts qui fonctionnent en continu, comme un ressort de soupape se déclenchant des milliers de fois par minute, doivent être conçus en fonction d'une courbe de fatigue plutôt que d'une seule valeur de contrainte maximale, car des charges répétées bien en dessous de la résistance ultime du matériau peuvent éventuellement provoquer l'apparition et la croissance d'une fissure. À titre indicatif, maintenir la contrainte de fonctionnement maximale en dessous d'environ 45 à 50 % de la résistance à la traction du fil est un point de départ courant pour les ressorts censés survivre à des millions de cycles, bien que le nombre correct dépende toujours de l'alliage spécifique et de la finition de surface.
Le grenaillage est le traitement le plus largement utilisé pour prolonger la durée de vie des ressorts de compression et de torsion. La cuisson de petits matériaux ronds sur la surface du fil introduit une couche peu profonde de contrainte résiduelle de compression, qui résiste à la contrainte de traction qui autrement déclencherait une fissure de fatigue à la surface. Pour les ressorts soumis à des cycles élevés et à des contraintes élevées (les ressorts de soupapes automobiles en sont l'exemple classique), le grenaillage peut prolonger considérablement la durée de vie par rapport à un ressort non grenaillé de mêmes dimensions.
Une machine à ressorts CNC moderne transforme une bobine de fil brut en un ressort fini et traité thermiquement en une séquence d'étapes coordonnées, toutes contrôlées par un mouvement servo programmé plutôt que par des cames mécaniques sur des équipements plus anciens.
Les anciennes machines à enrouler à cames s'appuient sur des cames physiques et des butées mécaniques pour contrôler le pas et la longueur, ce qui signifie que la modification de la conception d'un ressort nécessite un changement d'outillage physique. Une machine à ressorts CNC remplace la plupart de ces cames mécaniques par des axes servo programmés indépendamment, donc passer d'un modèle de ressort à l'autre - y compris des types complètement différents, comme le passage d'un ressort de compression à un ressort de torsion - consiste en grande partie à charger un nouveau programme et à ajuster l'outillage plutôt que de reconstruire la machine. Cette flexibilité est l’une des principales raisons pour lesquelles les tirages printaniers de petits et moyens volumes sont devenus beaucoup plus rentables au cours des deux dernières décennies.
| Industrie | Types de ressorts typiques | Pourquoi ce type |
|---|---|---|
| Automobile | Compression, torsion, disque | Les applications de soupapes et d'embrayage à cycle élevé nécessitent des ressorts de compression grenaillés ; les ressorts à disque supportent des charges élevées dans un espace axial court |
| Meubles et électroménagers | Compression, extension, force constante | Les mécanismes d'inclinaison et les glissières de tiroir nécessitent une force de cycle constante et modérée avec un taux plat ou en légère augmentation. |
| Electronique et connectique | Vague, petite compression | Un jeu interne limité favorise les ressorts ondulés à profil bas pour la précharge de contact |
| Agriculture et équipement lourd | Compression, torsion | Les ressorts de grand diamètre et de gros calibre doivent résister aux chocs en extérieur, ce qui favorise les revêtements résistants à la corrosion. |
| Dispositifs médicaux | Compression, extension, torsion (miniature) | Le fil inoxydable est préféré pour la facilité de nettoyage, avec des tolérances serrées sur les très petits diamètres de fil |
Le choix du matériau d'un ressort gère l'essentiel de la résistance à la corrosion, mais les revêtements et les finitions ajoutent une autre couche de protection et peuvent également modifier l'apparence et les caractéristiques de friction du ressort.
L'épaisseur du revêtement est plus importante qu'il n'y paraît pour les ressorts à tolérance étroite, car même une fine couche de placage modifie légèrement le diamètre effectif du fil et peut modifier la raideur du ressort sur de très petits ressorts. Pour les ressorts avec des tolérances de taux serrées, les tests sont généralement effectués après le revêtement plutôt qu'avant, de sorte que les valeurs rapportées reflètent la pièce telle qu'elle sera réellement installée.
Un espacement inégal des bobines est généralement dû à un fil qui n'a pas été complètement redressé avant l'enroulement, à des rouleaux d'alimentation usés glissant sur la surface du fil ou à un outil de pas qui a dérivé hors de l'étalonnage. Sur une machine à ressorts CNC, ce problème est souvent détecté tôt grâce à la mesure du pas en ligne intégrée à la station d'enroulement elle-même.
La plupart des fissures de fatigue commencent au niveau d'un défaut de surface (une éraflure, une piqûre due à la corrosion ou une concentration de contraintes au niveau d'un coude ou d'un crochet) plutôt qu'au milieu d'une bobine lisse. L'amélioration de la finition de surface, l'ajout de grenaillage ou la refonte d'un rayon de crochet pointu sont les solutions habituelles une fois qu'un modèle de rupture par fatigue est identifié.
L'ensemble permanent décrit un ressort qui ne revient plus à sa longueur libre d'origine après avoir été dévié, généralement parce qu'il a été contraint au-delà de la limite élastique du matériau - souvent à cause d'une compression répétée à une hauteur solide ou d'un fonctionnement à une température plus élevée que celle pour laquelle l'alliage de fil était évalué. Un soulagement approprié des contraintes après l'enroulement réduit le risque de déformation en relâchant les contraintes de formage résiduelles avant que le ressort ne connaisse son premier cycle de travail.
Une poignée de variables ont tendance à expliquer l’essentiel de la différence de coût entre les devis de printemps, quel que soit le type produit.
Lorsque l'on compare les devis de différents fournisseurs, il est utile de se demander spécifiquement comment la charge et la vitesse sont vérifiées : la plupart des producteurs réputés testent un échantillon de chaque lot de production sur un testeur de force-déplacement plutôt que de se fier uniquement aux contrôles dimensionnels, puisque deux ressorts peuvent mesurer de manière identique et toujours fonctionner différemment si la dureté du fil varie légèrement entre les lots de fils.
Le moyen le plus rapide de déterminer un type de ressort est de se demander dans quelle direction la force est appliquée et quel espace axial est disponible :
Les ressorts de compression sont le type le plus largement produit, car une simple force de poussée couvre la plus grande part des applications mécaniques et grand public, des stylos aux noyaux de matelas.
Un ressort de compression résiste à la compression et ses spires sont écartées au repos, tandis qu'un ressort d'extension résiste à l'étirement et ses spires sont serrées les unes contre les autres au repos, généralement avec des extrémités en crochet ou en boucle pour le montage.
Oui. La plupart des machines à ressorts CNC modernes sont reprogrammées plutôt que reconstruites mécaniquement pour basculer entre le formage par compression, extension et torsion, car la différence se résume aux changements d'outillage et aux paramètres d'enroulement, de pas et de pliage mis à jour dans le logiciel de contrôle.
Les courbures concentrent la contrainte bien plus qu'une bobine enroulée en douceur, de sorte que les crochets des ressorts d'extension et les pattes des ressorts de torsion sont généralement le premier point de défaillance lors de cycles répétés, c'est pourquoi la géométrie des crochets et des pattes attire autant d'attention en matière de conception que la bobine elle-même.
Dans la plupart des cas de rénovation, oui : un ressort ondulé peut fournir une force comparable à un ressort de compression hélicoïdal tout en occupant environ un tiers à la moitié de la hauteur comprimée, c'est pourquoi ils sont courants dans les conceptions de roulements et de connecteurs à espace limité.
L'indice de ressort est le rapport entre le diamètre de la bobine et le diamètre du fil. Un indice faible signifie un ressort étroitement enroulé avec une concentration de contraintes plus élevée sur le bord intérieur de la bobine, tandis qu'un indice élevé signifie un ressort faiblement enroulé qui est plus facile à former mais plus sujet au flambage et à l'emmêlement - la plupart des conceptions pratiques restent dans une fourchette moyenne pour un équilibre entre fabricabilité et performances.
Oui, pour les ressorts soumis à des contraintes élevées et à des cycles élevés. La contrainte résiduelle de compression introduite à la surface du fil résiste à la contrainte de traction qui initie les fissures de fatigue. C'est pourquoi le grenaillage est une pratique courante pour les applications exigeantes telles que les ressorts de soupapes automobiles, même s'il ajoute une étape de processus secondaire.
La dureté et le diamètre du fil peuvent varier légèrement d'un lot de broyeur à l'autre, même dans une plage de tolérance acceptée, c'est pourquoi des producteurs cohérents testent un échantillon de chaque lot sur un testeur de force-déplacement plutôt que de supposer que la conformité dimensionnelle garantit à elle seule une charge et un taux constants.
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