centre de développement pédagogique pour la formation générale en science et technologie LES RESSORTS

Transcription

1 centre de développement pédagogique pour la formation générale en science et technologie LES RESSORTS Mars 2005

2 Liste des sujets traités Qu est-ce qu un ressort? La loi de Hooke (notes historiques) Les trois principaux types de ressorts étudiés Quelques ressorts de compression Quelques ressorts de traction Quelques ressorts de torsion Quelques ressorts plats et de formes variées Quelques exemples d utilisations Le ressort de torsion dans une disquette Les matériaux pour ressorts Le rapport d'enroulement La longueur minimale de fonctionnement Représentation et cotation Application des ressorts : le pèse-personne La fabrication artisanale d un ressort de traction : gammes de fabrication 2

3 Qu est-ce qu un ressort? Un ressort évoque, pour la plupart des personnes, un fil enroulé en hélice cylindrique, celui qu'on rencontre dans les stylos, les amortisseurs de voitures ou sur les fourches des motocyclettes. Il convient de savoir que ce type de ressort n'est qu'un des multiples composants de machines qui peuvent être regroupés sous l'appellation ressort. Pour préciser cette notion, voici la définition générale du ressort. Le ressort est un système dont la fonction est de se déformer, sous l'action d'une force ou d'un couple, puis de restituer l'énergie emmagasinée à la reprise de sa forme initiale. C est en quelque sorte une «pile mécanique rechargeable». Nous considérons dans ce document les ressorts les plus utilisés, soit les ressorts hélicoïdaux dotés d un fil rond, d un pas constant et d un diamètre extérieur constant. La loi de Hooke En 1976, désirant établir son antériorité pour de nouvelles découvertes, Hooke publia deux anagrammes cryptés. Deux ans plus tard, il les décoda, annonçant l'invention du dynamomètre et la découverte de ce qui fut appelé plus tard la loi de Hooke. Quand un objet est soumis à une force, il peut être comprimé, étiré ou courbé. Dès que la force est supprimée, l'objet revient rapidement à sa configuration initiale. Nous disons qu'il est élastique. Si la force qu'ils subissent n'est pas trop grande, des matériaux tels que l'acier, l'os, le rocher, le tendon, le verre et le caoutchouc sont élastiques. Le ressort métallique en spirale d'une montre de poche s'enroule et se déroule plus de fois par jour. Par contre, les solides ou quasi-solides, tels que le plomb, l'argile et le mastic, ne reviennent plus à leurs configurations initiales s'ils sont déformés. On dit que ces matériaux sont plastiques. Ce que Hooke a trouvé, c'est que beaucoup de matériaux se déforment proportionnellement à la force appliquée. C'est la loi de Hooke, qui s'applique aux matériaux linéairement élastiques ou hookéens comme, entre autres, les barreaux d'acier, les tiges, les fils, les ressorts, les plongeoirs et plus ou moins les bandes de caoutchouc. La loi se formule de la façon suivante : F= ks k = une constante basée sur les caractéristiques du ressort (longueur, diamètre du fil, matériau) s = le déplacement g 200 g g 300 3

4 Les trois principaux types de ressorts étudiés Il existe de nombreux types de ressorts. Parmi ceux-ci, on distingue les ressorts de compression, les ressorts de traction et les ressorts de torsion. Quelques ressorts de compression Le ressort de compression est le type le plus employé. Comme son nom l'indique, il est conçu pour être comprimé. La sollicitation doit ainsi être principalement axiale et dirigée vers le ressort. Pour faciliter l'application de la force, les extrémités des ressorts sont souvent rapprochées et meulées. 4

5 Quelques ressorts de traction Les ressorts de traction, quant à eux, doivent être sollicités de manière à augmenter leur longueur. Ils sont utilisés comme rappel dans de nombreuses applications (portes, interrupteurs électriques, balais d'essuie-glace, etc.). Il existe de nombreux systèmes d'accrochage. La méthode la plus courante consiste à déformer les dernières spires du ressort pour former une boucle ou un crochet. 5

6 Quelques ressorts de torsion Les ressorts de torsion, également enroulés en hélice, ont pour rôle essentiel de restituer un couple. Leur champ d'application est très vaste. Cela explique que les systèmes d'accrochage sont très divers et sont souvent conçus pour les applications considérées. Quelques ressorts plats et de formes variées Les ressorts peuvent aussi prendre d autres formes selon la fonction à laquelle on les destine. C est ainsi qu on trouve des ressorts en spirales plats comme dans les horloges mécaniques, les moteurs à remontoir pour les jouets, etc. On en trouve aussi dans les ordinateurs pour assurer des contacts électriques de protection et pour des usages variés. Certains ressorts peuvent également avoir des formes particulières pour s adapter à des mécanismes divers. VARIÉES 6

7 Quelques exemples d utilisation La plupart des mécanismes exploitent la fonction élastique et sa concrétisation sous forme de ressort. On s attend bien sûr à rencontrer ces composants dans les machines utilisées en génie mécanique, par exemple dans les machines-outils, l automobile ou l aéronautique. En fait, avec un peu d observation, il devient vite évident que les ressorts sont très présents dans tout notre environnement. À l heure des nouvelles technologies, voici, à titre d exemple, quelques objets du monde informatique et audiovisuel où se cachent des ressorts. Les ressorts dans une imprimante Le ressort de compression dans une souris d'ordinateur 7

8 Le ressort de torsion dans une disquette Les matériaux pour ressorts La fonction du ressort est d'emmagasiner puis de restituer de l'énergie. On peut donc rapidement se dire que plus un matériau pourra être contraint avant de se déformer, plus il sera apte à être utilisé pour la fabrication d'un ressort. Il existe bien sûr d'autres critères qui doivent être pris en compte. Sans prétendre être exhaustifs au sujet des matériaux utilisables, nous proposons ici des indications sur les principaux matériaux employés et leurs propriétés. Pour fabriquer un ressort de manière industrielle, le matériau utilisé doit tout d'abord être : de mise en forme facile, sans défaut, peu coûteux et disponible. Pour que le ressort fabriqué soit performant, il faut aussi que le matériau allie les propriétés suivantes : haute limite élastique, bonne résistance à la fatigue et bonne résistance à la corrosion. C'est pourquoi la majorité des ressorts sont réalisés en acier. Voici les trois types d'aciers les plus fréquents : l acier non allié, tréfilé à froid, l acier non allié, trempé à l'huile et revenu ainsi que l acier inoxydable. Les aciers tréfilés entrent souvent dans la fabrication des ressorts. Ces aciers ont une bonne résistance à la fatigue. Leur limite élastique est augmentée lorsque le formage d'un ressort est suivi d'un traitement thermique (revenu). Celui-ci permet de relâcher les contraintes internes dans le matériau. Ces aciers ont une faible résistance à la corrosion, mais on peut facilement leur ajouter un revêtement protecteur. Ils peuvent travailler à des températures très basses et sont sujets à la relaxation à haute température. Le domaine d'utilisation peut ainsi être compris entre -80 C et 150 C. Les aciers trempés ont une bonne résistance à la fatigue et sont moins sujets à la relaxation que les aciers tréfilés. Suivant la relaxation tolérée, on peut considérer que le domaine d'utilisation va de -20 C à 170 C. Ces aciers ont une faible résistance à la corrosion. Lorsque des problèmes de corrosion surviennent, les aciers inoxydables sont conseillés. D'autres matériaux peuvent être employés pour des applications spécifiques, par exemple les alliages de cuivre au béryllium pour avoir une grande conductivité électrique. 8

9 Le rapport d'enroulement Le rapport d'enroulement w (aussi appelé index ou indice du ressort) est le rapport entre le diamètre moyen du ressort et le diamètre du fil. Les fabricants préconisent l utilisation d une valeur comprise entre 8 et 10 pour faciliter la fabrication du ressort. La norme DIN indique que le rapport d'enroulement doit toujours être compris entre 4 et 20. En effet, pour des grandes valeurs de w, le fil est très peu déformé et cela entraîne de grosses dispersions dans la géométrie du ressort. Un rapport d'enroulement très faible induit de fortes contraintes internes lors de la fabrication et augmente les concentrations de contraintes en utilisation : le ressort est fragilisé, le fil peut casser lors de la fabrication, les contraintes admissibles sont plus faibles. La longueur minimale de fonctionnement La longueur minimale de fonctionnement, basée sur des considérations géométriques, est notée Ln (il n'y a pas d'évaluation de contrainte à ce niveau). En effet, les dispersions lors de la fabrication du ressort font que certaines spires vont se toucher avant la longueur théorique à spires jointives (Lc) entraînant une augmentation de la raideur et des efforts. La caractéristique du ressort n'est alors plus linéaire. Comme les calculs sont déterminés à partir de cette hypothèse et qu'il est généralement souhaitable d'éviter les contacts entre les spires durant le fonctionnement, la longueur de travail est limitée à une valeur supérieure à la longueur à spires jointives. Il existe plusieurs approches pour déterminer la valeur de Ln. La norme DIN demande de respecter un espace minimal entre les spires à partir de la valeur de Sa : Ln = Lc + Sa avec Sa = n ( D2 /d + 0.1d). Dans le cas d'une application dynamique, lorsque N > 104, Sa est multiplié par 1,5. L'IST propose une autre approche en considérant un pourcentage de la course maximale théorique jusqu'à la longueur à spires jointives. On a ainsi : Ln = Lc (L0 - Lc). Dans des cas particuliers où l'on ne souhaite pas avoir de précision particulière sur l'effort maximal, on peut ne pas considérer les limitations. Dans ces cas on a simplement Ln = Lc. L'angle d'enroulement des spires Il existe de nombreuses considérations possibles pour la gestion de l'angle d'enroulement des spires. La méthode générale consiste à se baser sur des ressorts à spires serrées. La limite supérieure souvent utilisée est 7,5. Une valeur approchée de cette limite peut être obtenue en considérant que le pas du ressort ne doit pas dépasser le diamètre moyen divisé par 2,5 : m < D / 2,5. 9

10 Informations tirées de : Technologie de la construction mécanique, Les Éditions Foucher, Paris (FRANCE),

11 Application des ressorts Principes de fonctionnement d un pèse-personne 11

12 LA FABRICATION D UN RESSORT SELON UNE TECHNIQUE ARTISANALE 12

13 Considérations pratiques pour réaliser un ressort Pour fabriquer un ressort de façon artisanale, il faut connaître le type de ressort désiré (traction, compression, etc). Ensuite, par des essais, on doit déterminer le diamètre du fil et le diamètre du ressort nécessaire pour produire l effet désiré. En effet, ces deux paramètres détermineront dans une large mesure le comportement du ressort. Il faut également tenir compte du nombre de spires à enrouler. Pour un ressort de traction, on enroule le fil sur une tige en le maintenant bien appuyé sur la spire précédente. Ne pas oublier qu un ressort enroulé sur une tige double de diamètre au moment de la détente. Il faut donc choisir la tige d enroulement en fonction du diamètre final désiré. Pour produire un ressort de traction, on peut utiliser une tige filetée et enrouler le fil à fond de filet. L autre méthode consiste à prendre un ressort de traction et à l étirer au delà de sa limite élastique de façon à créer des spires disjointes. Plus le diamètre du ressort est petit, plus il a tendance a être rigide pour un diamètre de fil donné. Plus rigide Moins rigide Ainsi, plus le fil est de faible diamètre plus le ressort est mou pour une même dimension. Plus rigide Moins rigide Pour un ressort fait d un même fil et de même diamètre, un plus grand nombre de spires produira un ressort plus facile a étirer pour une longueur donnée. Plus rigide Moins rigide 13

14 CENTRE DE DÉVELOPPEMENT PÉDAGOGIQUE pour la formation générale en science et technologie GAMME DE FABRICATION ÉLÉMENT : Ressort ENSEMBLE : Ressort GAMME N 1 FEUILLE : 1 de 4 DESSIN XXX : REPÈRE : 1 NOMBRE : 1 MATÉRIAU : ACIER N 10 PHASE, SOUS-PHASE OU OPÉRATION 30 CROQUIS Installer une perceuse à vitesse variable dans un montage retenu par un étau de mécanicien. Il est important de pouvoir régler la vitesse, car l enroulement du fil doit se faire à faible vitesse. 20 Ø MACHINE-OUTIL, OUTILLAGE - Perceuse - Montage en bois - Collet de plomberie - Étau de mécanicien Montage Serrer une tige métallique dans le mandrin de la perceuse. On aura préalablement percé un petit trou de Ø 1,5 mm à une extrémité de la tige. Trou - Perceuse montée - Clé de mandrin - Tige métallique -Pince coupante Couper la longueur de fil à ressort désirée. 14

15 GAMME DE FABRICATION DU RESSORT N PHASE, SOUS-PHASE OU OPÉRATION FEUILLE : 2 de 4 CROQUIS MACHINE-OUTIL, OUTILLAGE 40 Insérer le fil à ressort dans le trou de la tige métallique. - Tige métallique 50 À l aide d une pince à bec long, plier le fil à ressort afin de l empêher de sortir. - Pince à bec long - Tige métallique 60 ENROULEMENT 61 À l aide d une pince universelle, maintenir une tension sur le fil à ressort et démarrer la perceuse à très faible vitesse. Pour cette opération, il serait préférable d être deux : un qui contrôle la vitesse et l autre qui contrôle la tension et la régularité du ressort. On peut également remplacer la tension de la pince par une masse marquée suspendue à une poulie dans laquelle passe le fil. - Tige métallique - Pince universelle ou masse marquée de 200 g 61 Essayer de maintenir les spires serrées tout au long de l enroulement. Un moment d inattention peut provoquer un défaut dans le ressort. Si cela arrivait, continuer quand même, les parties non désirées du ressort peuvent être enlevées à la fin. - Pince universelle - Tige métallique - Lunettes de sécurité Légère pression vers la droite 15 CTension entre de développement pédagogique

16 GAMME DE FABRICATION DU RESSORT N 62 FEUILLE : 3 de 4 PHASE, SOUS-PHASE OU OPÉRATION CROQUIS À la fin de l enroulement : - maintenir fermement le ressort tel que montré sur la photo; - maintenir la tension à l aide de la pince; - retirer les doigts; - relâcher la tension sur le fil. MACHINE-OUTIL, OUTILLAGE - Pince universelle - Tige métallique REMARQUE Lors de cette opération, on peut se blesser si l on ne fait pas attention en relachant le fil. 63 Lorsque le ressort sera relâché, son diamètre aura presque doublé. 64 Couper la première spire pour dégager le ressort. 65 Retirer la spire coupée. - Pince coupante 16

17 GAMME DE FABRICATION DU RESSORT N 66 FEUILLE : 4 de 4 PHASE, SOUS-PHASE OU OPÉRATION CROQUIS Couper les extrémités du ressort. MACHINE-OUTIL, OUTILLAGE - Pince coupante Au besoin, couper le ressort en deux. 70 FORMATION DES CROCHETS 71 Insérer les deux pinces à bec long sous la première spire et tordre vers le haut à 90 la moitié de la spire qui formera le crochet. 72 Répéter l opération 71 pour l autre crochet. - Deux pinces à bec long 17