Comportement vibratoire intrinsèque des ressorts

En génie mécanique, les ressorts de tension et de compression jouent un rôle important dans la conception des systèmes, applications et utilisations mécaniques. Les propriétés des ressorts, telles que leur force de retour et leur constante de ressort, influencent les performances et la fonctionnalité des machines. Afin de comprendre ces propriétés et le comportement vibratoire des systèmes à ressort, cet article examine les relations physiques entre les systèmes à ressort et la relation entre la fréquence naturelle et la résonance.

Propriétés physiques des ressorts

Les ressorts de tension et de compression, simplement appelés « ressorts », sont l’un des éléments les plus importants dans les systèmes mécaniques. Ils ont la capacité de s’étirer et de se comprimer, ce qui leur permet de stocker l’énergie cinétique. Cette énergie est libérée lorsque le ressort reprend sa forme d’origine.

Les propriétés physiques des ressorts dépendent de divers facteurs. Le matériau dans lequel les ressorts sont fabriqués, leur forme et leur taille ainsi que la manière dont ils sont chargés sont déterminants. En outre, des facteurs externes tels que la température et l’humidité peuvent influencer les propriétés des ressorts.

Le comportement vibratoire intrinsèque des ressorts est déterminé par leurs propriétés physiques. Il s’agit notamment de la densité, du module d’élasticité, de l’amortissement des vibrations et de la rigidité. Le comportement intrinsèque des vibrations des ressorts est également influencé par le type d’application.

Vibrations harmoniques

Les vibrations harmoniques sont des vibrations non amorties dans lesquelles la force de retour est proportionnelle à la déflexion du ressort.

Lorsqu’un ressort est dévié de sa position d’équilibre puis relâché, il commence à vibrer. Ces vibrations sont harmoniques lorsque la force de retour, c’est-à-dire la force agissant dans la direction de la position d’équilibre, est toujours proportionnelle à la déflexion. Les vibrations harmoniques ont une fréquence fixe et ne s’arrêtent pas d’elles-mêmes après l’effort externe initial exercé par une force.

Vibrations amorties

En réalité, les vibrations des ressorts, par exemple, sont fondamentalement amorties, car elles diminuent au fil du temps en raison d’influences externes telles que la friction ou la résistance à l’air. Cela signifie que l’amplitude de la vibration diminue progressivement jusqu’à ce qu’elle finisse par s’arrêter. La durée d’oscillation est ainsi réduite en amortissant le ressort, en fonction de ses propriétés physiques.

L’amortissement influence le comportement intrinsèque des vibrations du ressort en provoquant des pertes d’énergie pendant les vibrations. Lorsqu’un ressort vibre, il libère de l’énergie en raison de la friction et d’autres facteurs. Cela entraîne une diminution progressive de la vibration. L’amortissement modifie le comportement vibratoire du ressort en réduisant la fréquence et l’amplitude de la vibration. Cela signifie que les vibrations amorties sont nettement moins sensibles à la résonance.

Afin de comprendre le comportement vibratoire intrinsèque d’un ressort amorti, il faut tenir compte des propriétés d’amortissement du ressort. L’amortissement peut être influencé par divers facteurs, tels que la forme du ressort, le matériau et l’environnement dans lequel il est utilisé.

Des amortisseurs industriels peuvent également servir à amortir les vibrations, en plus des ressorts.

La constante du ressort comme paramètre déterminant

L’importance de la fréquence naturelle

La vibration intrinsèque ou la fréquence naturelle d’un système mécanique décrit la fréquence à laquelle le système vibre après une seule excitation provenant de l’extérieur. Le comportement vibratoire intrinsèque des ressorts est important pour comprendre les caractéristiques des vibrations des systèmes mécaniques.

Lorsqu’un ressort est intégré dans un système mécanique, il peut affecter le comportement vibratoire du système. Pour un pendule à ressort (également appelé balancier à ressort), la fréquence naturelle dépend de la constante de ressort k et de la masse m du corps du pendule.

Sur la base de l’équation de vibration, la formule suivante peut être utilisée pour calculer la fréquence naturelle d’un ressort :

Résonance dans un système de ressort

La résonance est un phénomène mécanique important qui peut survenir dans de nombreuses applications. Il est important de comprendre comment la résonance se développe et l’impact qu’elle a sur l’optimisation des performances des systèmes de ressort. Dans la conception, les fréquences et les résonances naturelles des systèmes à ressort sont d’une plus grande importance lorsqu’il s’agit des conséquences qui en résultent pour la stabilité et la sécurité d’une application.

Une résonance se produit lorsqu’une force externe agissant sur le système de ressort correspond à la fréquence naturelle (intrinsèque) d’un ressort. Lorsque cette fréquence est atteinte, le système commence à vibrer avec la plus grande amplitude possible. C’est ce qu’on appelle la résonance.

Supposons qu’une application se compose d’un dispositif d’alimentation par vibrations monté sur pieds de réglage à ressort. Dans ce cas, un effet de résonance peut se produire si la fréquence du dispositif d’alimentation en vibrations est proche de la fréquence naturelle des pieds de réglage à ressort. Cet effet de résonance pourrait finalement entraîner une augmentation de l’amplitude de vibration de l’application, ce qui compromet sa stabilité et sa sécurité.

Les effets de la résonance dans le système de ressort peuvent être très graves. Si le système de ressort vibre trop, il peut endommager la construction ou provoquer des mouvements imprévisibles.

On peut donc dire qu’il faut généralement éviter les résonances dans la construction.

• Toutes les fréquences naturelles ne sont pas égales = BON
• Toutes les fréquences naturelles sont égales = MAUVAIS

Comment prévenir la résonance

Nous avons déjà établi que la fréquence naturelle est un facteur important pour la survenue d’une résonance indésirable dans une application. Comment utiliser ces connaissances dans la pratique ?

1. Déterminer la fréquence des vibrations de l’application planifiée.

   La fréquence des vibrations de l’application doit être connue dans le cadre de la conception (par ex. les données techniques de l’application). Par conséquent, les ressorts appropriés peuvent être sélectionnés dans les étapes suivantes.

2. Déterminer la fréquence naturelle du ressort souhaité.

   En insérant une fréquence naturelle appropriée dans l’équation de vibration (voir la formule de calcul pour la fréquence naturelle), il est possible de déterminer les constantes de ressort qui conviennent en tenant compte de la fréquence de vibration de l’application planifiée.

3. Amortissement supplémentaire de la vibration.

   Dans certains cas, il peut être nécessaire d’amortir davantage les vibrations d’un ressort en utilisant des matériaux amortissants (par ex. des amortisseurs en PU) pour réduire davantage les vibrations ou le bruit indésirables. Un système à ressort amorti réduit les vibrations à un niveau acceptable et augmente la stabilité et la sécurité de l’application.

Quelles sont les autres mesures permettant d’amortir les vibrations ?

Une option consiste à utiliser un ressort approprié pour amortir l’application. Un ressort peut absorber un mouvement vibrant et le convertir en énergie thermique, amortissant ainsi les vibrations. Ce principe est souvent utilisé dans les véhicules dans lesquels on utilise des amortisseurs à ressorts pour amortir les vibrations de la route.

Les amortisseurs de chocs permettent d’amortir les vibrations. Contrairement aux ressorts, les amortisseurs de chocs convertissent l’énergie cinétique directement en énergie thermique, réduisant ainsi considérablement l’étendue du mouvement plus rapidement que les ressorts.

Un amortisseur en PU (polyuréthane) est un exemple plus moderne d’amortisseur efficace. Ce type de matériau absorbe non seulement les vibrations en raison de ses propriétés élastiques comme d’autres matériaux, mais il possède également d’excellentes propriétés d’absorption des chocs et une résistance élevée à l’abrasion et à l’usure par rapport aux matériaux en caoutchouc conventionnels.