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Calculs de la conception du ressort
Les ressorts sont des composants mécaniques capables de stocker et de restituer l’énergie de tension générée par le travail de traction, d’allongement ou de compression du ressort, sous forme d’énergie de déformation ou de tension. Ils sont utilisés dans de nombreuses applications, allant de petits composants électroniques jusqu’à de grandes machines industrielles. Pour que le ressort remplisse correctement sa fonction, il doit être correctement conçu. À cette fin, des paramètres tels que la constante du ressort et la course du ressort sont calculés.
Types de ressorts
Il existe différents types de ressorts qui diffèrent par leur fonction et leur aspect.
Les ressorts se distinguent selon leur charge et leur forme. Les types les plus courants sont les suivants :
Formes des ressorts :
- Ressorts en spirale : Les ressorts en spirale ont une forme hélicoïdale. Il peut s’agir de ressorts de traction, de ressorts de compression ou de ressorts de torsion. Ils peuvent exercer une force de ressort constante sur une course plus longue.
- Ressorts à feuilles : Les ressorts à feuilles sont composés de plusieurs bandes métalliques reliées entre elles. Ils peuvent absorber des charges plus importantes pendant une longue période.
- Ressorts à disque : Les ressorts à disque se composent d’un ou plusieurs disques ou plaques concentriques. Ils absorbent les charges axiales et sont comprimés.
Charges sur ressort :
- Ressorts de compression : Les ressorts de compression sont comprimés sous l’effet de charges de compression (force de compression). Ils sont cylindriques ou coniques.
- Ressorts de traction : Les ressorts de traction s’étirent sous une charge de traction. Ils peuvent par exemple être droits, coniques ou hélicoïdaux.
- Ressorts de torsion (également ressorts de jambe) : Les ressorts de torsion tournent lorsqu’un couple est exercé sur eux. Ils possèdent une constante de ressort de torsion linéaire ou non linéaire.
- Ressorts de flexion : Les ressorts de flexion sont capables d’absorber des charges de flexion, ce qui génère un effet de ressort.
Pour en savoir plus sur la sélection des ressorts de traction et des ressorts de compression – vue d’ensemble / utilisation / exemples d’application, cliquez ici.
Calcul des ressorts
Pour calculer et concevoir des ressorts, il convient de déterminer ou de connaître dans un premier temps des paramètres tels que le taux de ressort, la constante de ressort et le travail du ressort. Il est, par exemple, possible de calculer la force du ressort ou sa constante.
Considérations préliminaires pour le calcul et la conception des ressorts
Avant de calculer ou de concevoir un ressort, il faut définir plusieurs exigences et spécifications importantes, telles que :
- Exigences en matière de charge, par ex. charge maximale, type de charge (compression, traction, torsion), fréquence et cycle de travail du type de charge
- Environnement et conditions de fonctionnement, par ex. température, risque de corrosion, humidité et niveau de contamination
- Amortissement et absorption des vibrations, par ex. besoin d’éléments d’amortissement
- Contraintes d’espace et d’installation, par ex. dimensions du ressort, conception de la géométrie de la spirale et des extrémités
L’automatisation économique utilise principalement des ressorts de traction et des ressorts de compression.
Paramètres de calcul des ressorts
Les paramètres suivants doivent être connus au préalable avant de calculer les ressorts de compression, les ressorts de traction, etc. :
Pour un ressort de tension par exemple
- Quelle force (F) sera exercée sur le ressort ? Quelle longueur libre (L0) et quelle course de ressort (X) sont disponibles ?
- Le ressort doit-il être équipé de pattes de traction ou des pattes supplémentaires sont-elles nécessaires ? Et quel effet les pattes de tension supplémentaires ont-elles sur la longueur ?
- Le diamètre intérieur (D) du ressort et/ou un diamètre de fil (d) jouent-ils un rôle ?
- Le poids mort du ressort joue-t-il un rôle dans l’application et quel espace est disponible pour tout remplacement nécessaire du ressort ?
- Les pattes doivent-elles être disposées dans la même orientation ou tournées de 90° ?
Calcul de la force du ressort à l’aide de la formule de force de ressort
La force de ressort, également appelée force de serrage, est la force générée par un ressort lorsqu’il est étiré ou comprimé, en fonction de sa raideur ou de sa constante de ressort. Cette force tend à ramener le ressort à sa forme ou à sa position d’origine. Le calcul est généralement effectué à l’aide de la formule de la force de ressort, également appelée loi de Hooke. La loi de Hooke décrit la relation linéaire entre la force (F) exercée sur un corps élastique et l’élongation ou la compression (Δx) résultante de ce corps dans la zone élastique du matériau :
Où :
- F = Force de ressort, mesurée en newtons (N)
- k = Constante de ressort, la raideur du ressort, en unités telles que N/m (newton par mètre)
- Δx = Course du ressort, c’est-à-dire l’allongement (pour les ressorts de traction) ou la compression (pour les ressorts de compression), mesurée en mètres (m).
F = k \times \Delta x
Quelle est la tension initiale d’un ressort de traction ?
La tension initiale (Pi), parfois également appelée précharge d’assemblage, désigne la force (en N) nécessaire pour provoquer un changement de longueur du ressort par déformation.
La constante de ressort et la course du ressort (allongement ou compression) peuvent être relevées à partir des spécifications techniques et des données du fabricant, ou bien calculées comme suit.
Calcul de la constante de ressort à l’aide de la formule de force de ressort
La constante de ressort, souvent appelée taux de ressort, est l’un des paramètres fondamentaux d’un ressort. Elle indique la force nécessaire pour déformer le ressort d’une certaine distance.
k = \frac{F}{\Delta x}
Plus la constante de ressort est élevée, plus le ressort est rigide. Une constante de ressort élevée signifie qu’une force relativement importante est nécessaire pour déformer le ressort, tandis que les ressorts ayant une constante faible se déforment plus facilement.
Calcul de la constante de ressort totale pour plusieurs ressorts
En pratique, on installe rarement un seul ressort. Plusieurs ressorts sont généralement installés en série ou côte à côte. Comment calcule-t-on constante de ressort dans ces cas ? Dans tous les cas, il est nécessaire de déterminer la constante de ressort totale.
Si plusieurs ressorts sont connectés en série (configuration en ligne), la constante de ressort totale est calculée comme suit :
\frac{1}{k_{ges}} = \frac{1}{k_{1}} + \frac{1}{k_{2}} + ..
Si plusieurs ressorts sont installés côte à côte (configuration parallèle), la constante de ressort totale est calculée comme suit :
k_{ges} = k_{1} + k_{2} + ..
Aspects de sécurité
Pour éviter une défaillance du ressort, celui-ci ne doit pas être soumis à une tension supérieure à sa tension nominale. La tension nominale dépend du matériau du ressort. Par exemple, pour l’acier à ressort, la tension nominale varie de 550 MPa (mégapascal) à 800 MPa, en fonction de l’alliage et de la trempe. Pour les ressorts en acier inoxydable, la tension nominale est comprise entre 500 MPa et 700 MPa.
Durée de vie et fatigue
Un ressort peut se fatiguer avec le temps, surtout s’il est fréquemment soumis à des charges et relâché. Il est donc important de prendre en compte la durée de vie du ressort en fonction des conditions de charge.
| Version | Schéma | Matériau : JIS-SWP-A |
Matériau : EN 1.4301 (WPB) Equiv. |
Plage de charge - Capacité de charge maximale de la série (Matériau JIS-SWP-A) |
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| Référence | sur | à | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Très faible charge |  |
AWA | AUA | 0.69 | 19.6 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| pour une faible capacité de charge | |
AWY BWY |
AUY BUY |
1.86 | 78.45 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Charge faible/moyenne | |
AWU BWU |
AUU BUU |
2.45 | 98.07 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Capacité de charge moyenne | |
AWS BWS |
AUS BUSS |
3.53 | 225.55 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Charge moyenne/lourde | |
AWF | - | 6.47 | 83.36 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Capacité de charge élevée | |
AWT BWT |
AUT BUT |
8.8 | 430.51 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Configurable | |
WFSP BWFSP |
UFSP BUFSP |
2.37 (à L = 50 mm) |
156 (à L = 50 mm) |
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| Long sans œillets |  |
LWS | LUS | - | - | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Recommandations pour les ressorts MISUMI
MISUMI propose une large gamme de ressorts, tels que les ressorts de traction et les ressorts à bobine ronde. Les ressorts en spirale sont conçus pour maintenir la charge maximale constante au même diamètre. Nous recommandons d’utiliser les ressorts dans la déflexion admissible pour garantir la fonctionnalité et la forme et pour atteindre la durée de vie prévue. Les ressorts sont recommandés pour être utilisés à des températures ambiantes normales (40 °C ou moins). Les valeurs de charge diminuent au-dessus de 40 °C. Cette plage de température est également valable pour les ressorts en spirale ronde MISUMI.