Types de ressorts expliqués : applications et guide de sélection

Les ressorts sont des composants mécaniques d'une importance immense utilisés pour créer du mouvement, améliorer les capacités d'absorption des chocs, etc., dans de nombreux produits. En d'autres termes, les services de prototypage rapide comme l'impression 3D et l'usinage CNC peuvent fabriquer différents types de ressorts employés pour actionner et fabriquer des produits comme montres, téléphones portables, etc.

Certains des produits les plus largement utilisés intègrent des ressorts dans leur conception. Cela nécessite connaissances et sélection, d'où le besoin de comprendre les ressorts et leurs applications. Cet article parle donc des ressorts, leurs avantages et inconvénients, et les différents types de ressorts et leurs applications.

Principe du ressort

Commençons par les bases du ressort. Un ressort est un dispositif qui emmagasine de l'énergie lors de l'application d'une force (d'une charge) et la restitue après le retrait de la charge. Dans des conditions normales, quel que soit le type de ressort utilisé dans un produit, le ressort retrouvera sa forme originale après retrait de la charge.

L'utilisation des ressorts dans tout produit repose sur la loi de Hooke. La loi de Hooke démontre simplement la relation entre la « force » exercée sur un ressort et son élasticité. En termes simples, la loi de Hooke stipule que la force nécessaire pour la compression et l'extension d'un ressort est directement proportionnelle au déplacement.

Mathématiquement, la loi de Hooke s'exprime : F = -kX,

F = force appliquée au ressort

X = déplacement du ressort (la valeur négative indique que la force de rappel est opposée à la direction)

k = constante du ressort. Elle dépend du type de ressort et indique la raideur.

Différents types de ressorts et leurs applications

Les ressorts sont faits de différents matériaux, formes, fonctions, etc., ce qui nécessite diverses applications. Les ressorts ont trois catégories principales, chacune ayant différentes sous-catégories.

Catégorie 1 : Ressorts hélicoïdaux (Helical Springs)

Les ressorts hélicoïdaux sont les types de ressorts les plus courants dans la fabrication de produits. Du fil enroulé en forme d'hélice (d'où le nom) avec différentes sections transversales peut former des ressorts hélicoïdaux. Voici les types de ressorts sous la catégorie 1.

1. Ressorts de compression (Compression Springs)

Les ressorts de compression sont des ressorts hélicoïdaux à spires ouvertes avec un diamètre enroulé constant et une forme variable qui résiste à la compression axiale.

L'exemple le plus simple de son application est dans le stylo à bille, où il est responsable de l'effet « clic ». Il s'applique aussi dans les soupapes et suspensions.

2. Ressorts de traction (Extension Springs)

Contrairement aux ressorts de compression, les ressorts de traction sont des ressorts hélicoïdaux à spires fermées. Ils conviennent pour créer de la tension, stocker l'énergie, et utiliser cette énergie pour ramener le ressort à sa forme originale.

Un exemple simple d'application : les portes de garage. Autres : leviers de traction, pinces, balances.

3. Ressorts de torsion (Torsion Springs)

Un ressort de torsion est attaché à deux composants différents par ses deux extrémités. Cela maintient les deux composants écartés à un certain angle. Ces ressorts utilisent la direction radiale quand la force agit radialement du fait de la rotation. De plus, les capacités d'usinage CNC peuvent produire des ressorts de torsion à deux corps en grands volumes.

4. Ressorts spiraux (Spiral Springs)

Les ressorts spiraux sont faits en enroulant des bandes métalliques rectangulaires en spirales plates. À l'activation, ils stockent une quantité raisonnable d'énergie et peuvent la libérer à un rythme constant. Cette libération constante les rend adaptés aux montres mécaniques, jouets, et dossiers inclinables.

Catégorie 2 : Ressorts à lames (Leaf Springs)

Les ressorts à lames sont des types de ressorts faits de plaques métalliques rectangulaires, aussi appelées lames. Les plaques rectangulaires sont normalement boulonnées et serrées, et ont une utilisation majeure dans les véhicules lourds. Voici les différents types de ressorts à lames et leurs applications.

1. Ressort à lames elliptique (Elliptical Leaf Spring)

La connexion de deux ressorts semi-elliptiques en sens opposé construit le ressort à lames elliptique. Cela forme une forme elliptique. L'essieu et le châssis fixent les ressorts elliptiques. Pas besoin de chape de ressort car les deux ressorts semi-elliptiques s'allongent de la même quantité pendant la compression. Les ressorts à lames elliptiques n'étaient applicables que dans les vieilles voitures, plus maintenant.

2. Ressort à lames semi-elliptique (Semi Elliptical Leaf Spring)

Ce sont les ressorts à lames les plus populaires dans l'automobile. Ils sont faits de lames d'acier de longueurs différentes mais même largeur et épaisseur. La lame supérieure/la plus longue aux deux extrémités est la lame maître. L'arrangement des lames d'acier ressemble à une forme semi-elliptique.

Les ressorts semi-elliptiques ont une extrémité rigidement fixée au châssis du véhicule et l'autre à la chape. Cela aide à varier les longueurs et absorber les chocs sur terrains accidentés. Les ressorts semi-elliptiques nécessitent peu d'entretien, sont faciles à réparer, et ont une longue durée de vie.

3. Ressort à lames quart-elliptique (Quarter Elliptical Leaf Spring)

Aussi appelé ressort à lames de type cantilever, le quart-elliptique est aussi un vieux ressort à lames. Une extrémité est fixée sur le longeron du châssis par un collier en U ou boulon en I. L'autre est librement connectée à l'essieu avant. Quand le faisceau d'essieu avant subit une charge de choc, les lames se redressent pour absorber le choc.

4. Ressort à lames trois-quarts elliptique (Three-Quarter Elliptical Leaf Spring)

Un exemple simple de son application est une charnière de porte. Ici, quand vous ouvrez la porte, le ressort emmagasine son énergie de rotation ; quand vous relâchez la porte, le ressort utilise l'énergie stockée pour ramener la porte à sa position originale. La force de rotation dépend de la rotation du ressort.

Ce ressort à lames combine le quart-elliptique et le semi-elliptique. Une extrémité de la partie semi-elliptique est attachée au châssis du véhicule, l'autre au quart-elliptique. L'autre extrémité du quart-elliptique est attachée au châssis et à la tête par le boulon en I.

5. Ressort à lames transversal (Transverse Leaf Spring)

Le ressort à lames transversal vient du montage transversal d'un ressort semi-elliptique le long de la largeur du véhicule. L'arrangement est tel que la lame la plus longue du ressort est située en bas, la partie médiane fixée au châssis par un boulon en U. Les ressorts transversaux utilisent deux chapes. Cependant, ils peuvent causer du roulis, les rendant inadaptés aux automobiles.

Catégorie 3 : Ressorts à disques (Disk Springs)

Les ressorts à disques sont des ressorts uniques ou multiples empilés ensemble en arrangements série ou parallèle. Cet arrangement leur permet d'absorber une charge élevée dans des espaces restreints. Types de ressorts à disques :

1. Ressort à disque Belleville (Belleville Disk Spring)

Aussi appelé ressort à disque conique, le ressort Belleville a une construction en forme de cuvette. Ils ne sont pas plats. Au lieu de cela, ils prennent une forme canonique qui se comprime et leur permet de gérer de lourdes charges.

2. Ressort à disque courbe (Curved Disk Spring)

Aussi appelés rondelles croissantes, ils appliquent une légère pression sur leur pièce d'accouplement pour résister au desserrage dû aux vibrations. Ils conviennent pour répartir uniformément les charges des boulons, vis, et écrous filetés dans les machines produisant des vibrations constantes.

3. Ressort à disque fendu (Slotted Disk Spring)

Les fentes sur les diamètres externe et interne d'un ressort à disque forment le ressort à disque fendu. Cela crée un levier qui réduit la charge du ressort et augmente la déflexion. Les ressorts à disque fendus ont une large application dans les transmissions automatiques, embrayages, et couplages de surcharge.

4. Ressorts à disque ondulé (Wave Disk Springs)

Les ressorts à disque ondulé ont plusieurs ondes par tour et conviennent pour fournir des charges précises et prévisibles. Ici, ils agissent comme un coussin en absorbant le stress dû à la compression axiale.

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Matériaux utilisés pour fabriquer les ressorts

Contrairement à l'idée reçue que les ressorts viennent du fer, il est important de savoir qu'ils proviennent de différents matériaux. Les types de matériaux déterminent donc les propriétés, types de ressorts, et leurs applications. Voici les matériaux courants :

· Alliage cuivre-béryllium (Beryllium Copper Alloy)

Les ressorts faits de cet alliage ont haute résistance, faible fluage, et excellente conductivité. Ils conviennent aussi pour former des formes et configurations complexes. Par conséquent, c'est bien d'utiliser l'alliage cuivre pour faire des ressorts utilisés dans instruments de musique, certains dispositifs de mesure, balles, etc.

· Céramique

Le matériau céramique convient pour faire des ressorts utilisés à très hautes températures. Il résiste à l'abrasion, à l'eau, et est très dur. Il a aussi un faible coefficient de frottement et faible densité.

· Matériaux composites en fibres de verre unidirectionnelles

Le matériau composite en fibres de verre unidirectionnelles est une fibre de verre renforcée qui a une résistance puissante. Par conséquent, les fabricants le considèrent maintenant comme un matériau potentiel pour fabriquer tous les ressorts.

· Caoutchouc/Uréthane

Ces matériaux conviennent pour faire des ressorts avec un design cylindrique/non hélicoïdal. Ils sont sûrs et fiables, et grâce à leurs propriétés non conductrices, ils s'appliquent dans les produits où il y a toujours un problème avec le magnétisme, la corrosion, et les vibrations.

· Alliages d'acier (Steel Alloys)

Le ressort en alliage d'acier est le type de ressort le plus populaire. Ils peuvent être améliorés avec d'autres matériaux, mais indépendamment, ils ont une excellente résistance et durabilité.

Avantages et inconvénients des ressorts

Les ressorts ont de beaux avantages quand ils sont une des pièces essentielles composant de nombreux produits largement utilisés, mais ils portent aussi quelques inconvénients. Examinons tour à tour les avantages et inconvénients des ressorts.

Avantages des ressorts

· Meilleure capacité d'absorption des chocs

Les ressorts ont une large application dans de nombreux produits car ils réduisent l'effet des chocs en les absorbant. Quand le produit subit un choc, le ressort se comprime et se détend pour l'absorber. Par conséquent, les ressorts sont des pièces importantes des véhicules.

· Stockage d'énergie

Le ressort spiral est un exemple de ressort qui peut servir d'alternative à une batterie. Lors de l'application d'une force, le ressort peut générer de l'énergie et la libérer de manière constante. Cela en fait un composant important de la montre mécanique.

· Mécanisme d'assemblage

L'utilisation de ressort peut joindre deux parties d'un produit ou pièce ensemble. Par exemple, les ressorts s'appliquent dans un garage, porte, et balances pour joindre deux pièces afin de fonctionner.

· Stabilité du produit

Par son utilisation dans la capacité d'absorption des chocs, les ressorts assurent que les produits qui les utilisent sont stables. La stabilité du produit peut aussi être une forme de réduction de frottement et vibrations des pièces.

Inconvénients des ressorts

· Coûteux

Ajouter un ressort peut être cher dans certaines machines. Cela est dû aux différents types de ressorts, la facilité de les fabriquer, la disponibilité du bon matériau, et le design du produit.

· Ils perdent leurs effets avec le temps

Les ressorts perdent leur effet avec le temps du fait des compressions et détentes simultanées. Cela dépend du matériau utilisé pour les fabriquer. Finalement, ils cesseront d'obéir à la loi de Hooke : ils ne reviendront pas à leur forme originale lors de la déformation.

Conclusion

Les ressorts sont une partie importante de tout produit qui subit du mouvement. Quand compressés et étendus, ils peuvent stocker et libérer de l'énergie. Choisir le bon ressort vient avec la connaissance des types de ressorts utilisés aujourd'hui. Chaque ressort a ses propres caractéristiques selon les matériaux utilisés, le design, et le processus de fabrication. Donc, quand vous choisissez de faire un ressort pour votre produit, il est préférable de considérer les facteurs ci-dessus.

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FAQ

Quels sont les 3 types de ressorts ?

Les trois principaux types de ressorts sont les ressorts hélicoïdaux, les ressorts à disques, et les ressorts à lames. Chaque type principal a différents types de ressorts sous lui. Par exemple, les ressorts hélicoïdaux consistent en ressort de torsion, ressort de traction, ressort spiral, et ressort de compression.

Quels sont les types de ressorts hélicoïdaux ?

Les ressorts hélicoïdaux consistent en 4 types différents de ressorts, chacun avec son application. Les quatre sont : ressort de torsion, ressort de traction, ressort spiral, et ressort de compression.

Quel est le type de ressort le plus courant ?

Le type de ressort le plus courant est le ressort de torsion. Ils ont deux extrémités attachées à deux composants différents pour les maintenir écartés à un certain angle. Exemple d'application : charnière de porte. Quand vous ouvrez la porte, le ressort emmagasine son énergie de rotation. Quand vous relâchez, le ressort utilise l'énergie stockée pour ramener la porte à sa position originale.