Introduction à la conception des ressorts

Acquérez une compréhension globale de la conception des ressorts ondulés, de leurs caractéristiques de performance et des considérations techniques telles que la charge et la déflexion, la contrainte de fonctionnement, la durée de vie en fatigue et la raideur du ressort. Cette ressource d'introduction fournit les bases pour évaluer les solutions de ressorts ondulés et renvoie vers des méthodologies de conception, des calculs et des conseils d'application plus approfondis basés sur des exigences techniques spécifiques.

Solutions de ressorts standard vs solutions de ressorts personnalisés

Que votre application nécessite un composant standard ou une solution technique sur mesure, Smalley peut vous aider. L'un de nos ingénieurs peut vous aider à choisir parmi plus de 4 000 pièces standard disponibles en acier au carbone et en acier inoxydable. Pour les exigences uniques, la fabrication par enroulement sur le bord de Smalley offre une flexibilité et une qualité maximales. Que votre conception nécessite un seul ressort ou un million, pensez à Smalley pour répondre à vos exigences spéciales en matière de ressorts

Définition des exigences relatives au ressort

Bien que les applications des ressorts ondulés soient extrêmement diverses, il existe un ensemble de règles de base pour définir les exigences relatives aux ressorts. Les propriétés telles que la cavité de travail, les dimensions du ressort et le matériau sont toutes des paramètres pertinents qui définissent les exigences du ressort. Ces exigences sont utilisées pour sélectionner un ressort standard/en stock ou pour concevoir un ressort spécial afin de répondre aux spécifications.

Considérations relatives à la conception des ressorts ondulés

La cavité de travail se compose généralement d'un alésage dans lequel le ressort fonctionne et/ou d'un arbre avec lequel le ressort présente un jeu. Le ressort reste positionné par guidage dans l'alésage ou sur l'arbre. La distance entre les surfaces de charge définit la cavité de travail axiale ou la hauteur de travail du ressort.

La section de matériau joue un rôle important dans la conception des ressorts ondulés. Des matériaux économiques, tels que l'acier au carbone, sont utilisés dans la fabrication des pièces standard Smalley. Par ailleurs, de nombreuses autres sections de matériaux sont couramment utilisées dans la conception de ressorts spéciaux. Les ingénieurs de Smalley peuvent vous aider à choisir un alliage et une section transversale économiques.

Pour les ressorts ondulés de type à chevauchement et les Spirawave multi-tours, la paroi radiale doit être suffisante pour empêcher tout désalignement entre les couches adjacentes. Pour les ressorts dotés d'une paroi radiale étroite, un désalignement radial peut se produire lors de la manipulation ou du fonctionnement si le ressort n'est pas logé ou guidé de près.

Les solutions à ce problème comprennent le dimensionnement du ressort pour qu'il se guide étroitement sur le D.I. et/ou le D.E., ou la conception du ressort pour qu'il soit monotour du type à interstice.

Pour les ressorts qui se guident sur un arbre, le diamètre intérieur peut être tolérancé de manière à assurer un jeu minimal par rapport à l'arbre. Puisque les ressorts ondulés se dilatent pendant la compression, l'interférence avec l'arbre n'est généralement pas un problème.

Pour les ressorts qui se guident dans l'alésage, les diamètres de l'alésage et de l'arbre doivent être inclus dans les spécifications du ressort. Le diamètre réel du ressort est ensuite développé au moment de la fabrication afin de garantir le meilleur ajustement et d'éviter tout coincement dû à la dilatation.

Pour les ressorts de types à interstice et à chevauchement, le diamètre extérieur peut être spécifié car le coincement n'est pas un problème. Le diamètre extérieur peut être tolérancé pour assurer un jeu minimal dans l'alésage ou pour assurer une adhérence dans l'alésage, à l'instar des ressorts de précharge de roulement Smalley.

L'exigence de charge est définie par la quantité de force axiale que le ressort doit produire lorsqu'il est installé à sa hauteur de travail. Certaines applications nécessitent plusieurs hauteurs de travail, où les charges à 2 hauteurs de fonctionnement ou plus sont critiques et doivent être prises en compte dans la conception. Souvent, des charges minimales et/ou maximales constituent des solutions satisfaisantes, en particulier lorsque des empilements de tolérances sont inhérents à l'application.

Les températures élevées, la charge dynamique (fatigue), les milieux corrosifs ou d'autres conditions de fonctionnement inhabituelles doivent être pris en compte dans les applications de ressorts. Les solutions aux diverses conditions environnementales nécessitent généralement la sélection de la matière première et de la contrainte de travail optimales.

La compression d'un ressort ondulé crée des contraintes de flexion similaires à celles d'une simple poutre soumise à une flexion. Ces contraintes de compression et de traction limitent la compression qu'un ressort peut subir avant de s’étirer ou de « se déformer irréversiblement » . Bien que la déformation permanente du ressort ne soit parfois pas acceptable, les exigences de charge et de déflexion amèneront souvent la conception à accepter une certaine déformation ou « relaxation » au fil du temps.

Applications statiques : Smalley utilise la résistance minimale à la traction figurant dans nos tableaux de ressorts standard pour estimer la limite d'élasticité, en raison de l'allongement minimal du fil plat trempé utilisé dans les produits Smalley. Lors de la conception de ressorts pour des applications statiques, nous recommandons que la contrainte de travail calculée ne dépasse pas 100 % de la résistance minimale à la traction. Cependant, dans certaines applications, la contrainte de fonctionnement peut dépasser la résistance minimale à la traction, en tenant compte des marges prévues pour la limite d'élasticité. Les facteurs typiques à prendre en compte sont la déformation permanente, la relaxation, la perte de charge et/ou la perte de hauteur libre.

Applications dynamiques : Lors de la conception de ressorts ondulés pour des applications dynamiques, Smalley recommande que le calcul de la contrainte de travail ne dépasse pas 80 % de la résistance minimale à la traction.

L'augmentation de la capacité de charge et/ou de la durée de vie en fatigue peut être obtenue en comprimant un ressort au-delà de sa limite d'élasticité ou par « pré-déformation ». Les ressorts pré-déformés sont fabriqués à une hauteur libre et une charge supérieures, puis sont comprimés à bloc. La hauteur libre et la charge sont toutes deux réduites et les surfaces du matériau présentent désormais des contraintes résiduelles, ce qui améliore les performances du ressort.

Le cyclage en fatigue est une considération importante dans la conception des ressorts ondulés. Déterminer précisément de combien un ressort va fléchir peut grandement influencer le prix du ressort. Une analyse doit préciser si le ressort se déforme sur toute sa course, de quelques millièmes seulement à chaque cycle, ou éventuellement une combinaison des deux à mesure que les pièces s'usent ou que la température varie.

Formule :

Rapport de contrainte de fatigue	Durée de vie estimée en cycles
0,00 < X < 0,40	Moins de 30 000 cycles
0,40 < X < 0,49	30 000 - 50 000 cycles
0,50 < X < 0,55	50 000 - 75 000 cycles
0,56 < X < 0,60	75 000 - 100 000 cycles
0,61 < X < 0,67	100 000 - 200 000 cycles
0,68 < X < 0,70	200 000 - 1 000 000 cycles
0,70 < X	plus de 1 000 000 de cycles

Nomenclature

σ = Résistance à la traction du matériau

S1 = Contrainte de service calculée à la hauteur de travail inférieure

S2 = Contrainte de service calculée à la hauteur de travail supérieure

Vous pouvez utiliser le calculateur de conception de ressorts pour déterminer rapidement les contraintes de service et la durée de vie en cycles approximative, ou trouver les équations sur les pages Monotour à interstice ou à chevauchement and Spirawave multi-tours (Crest‑to‑Crest) pages.

Une comparaison entre la raideur réelle du ressort et la raideur théorique (calculée) fournit les limites pratiques de la plage de travail du ressort. La raideur du ressort (P/f) peut être calculée en manipulant les équations de déflexion. En général, la raideur théorique est précise jusqu'à ce que le ressort commence à s'écraser ou à atteindre sa « hauteur à bloc ».

En règle générale, la raideur calculée du ressort est linéaire sur les premiers 80 % de la déflexion disponible et pour des hauteurs de travail pouvant descendre jusqu'à 2 fois la hauteur à bloc. Bien que le ressort puisse fonctionner au-delà de cette plage « linéaire », les charges mesurées seront bien supérieures à celles calculées.

De plus amples informations sur les pièces monotour à languette ou à fente, Spirawave multi-tours (Crest-to-Crest), et Spirawave imbriqués se trouvent sur leurs pages.

Les ressorts ondulés exercent une force plus élevée lors de la mise en charge et une force plus faible lors de la décharge. Cet effet est connu sous le nom d'hystérésis. La zone ombrée montre une représentation graphique entre les courbes.

Dans un ressort monotour, les frottements dus aux mouvements circonférentiels et radiaux en sont les causes principales. Les ressorts Crest-to-Crest et les ressorts imbriqués contribuent également à la perte par frottement lorsque les couches adjacentes frottent les unes contre les autres. Une lubrification suffisante minimisera cet effet.

Spirawaves imbriqués et Crest-to-Crest uniquement : Les Spirawaves multi-tours voient leur diamètre augmenter lorsqu'ils sont comprimés. La formule ci-dessous permet de calculer le diamètre maximal à pleine compression.

Formule :

Nomenclature

ODM = Diamètre extérieur à bloc po)

R = Rayon d'ondulation (po) = (4Y2 + X2)/8Y

N = Nombre d'ondulations

θ = Angle = ArcSin[X/(2R)] (degrés)

b = Paroi radiale (po)

X = 1/2 fréquence d'ondulation = (πDM)/(2N)

Y = 1/2 hauteur libre moyenne = (H-t)/2

Où H = hauteur libre par tour (po)

Les ressorts linéaires sont des fils métalliques formés en ondulations continues (marcelés) produits à partir de matériaux trempés pour ressorts. Ils agissent comme un dispositif de support de charge ayant approximativement les mêmes caractéristiques de charge/déflexion qu'un ressort ondulé.

Les forces agissent axialement ou radialement selon la position de montage. La pression axiale est obtenue en posant l'extenseur à plat en ligne droite. L'enroulement circulaire de l'extenseur (autour d'un piston par exemple) produit une force radiale ou une pression vers l'extérieur.

Spring Design Formulas

Type monotour à interstice ou à chevauchement

Force faible à moyenne
Raideur de ressort faible à moyenne
Déflexion courte
Caractéristiques de charge/déflexion précises

Les ressorts ondulés monotour sont utilisés dans la plus grande variété d'applications de ressorts en raison de leur coût réduit et de leur configuration de conception simplifiée. Ils offrent la plus grande flexibilité aux concepteurs. Leur conception présente peu de restrictions et ils sont spécifiés dans la plupart des petites applications soumises à des contraintes d'espace axial et radial.

Équations :

Nomenclature

b = Paroi radiale, po [(O.D. - I.D.)÷2]
Dm = Diamètre moyen (po) [(O.D. + I.D.)÷2]
E = Module d'élasticité (psi)
f = Déflexion (po)
H = Hauteur libre (po)
I.D. = Diamètre intérieur (po)
K = Facteur d'ondulations multiples
L = Longueur linéaire totale (po)
N = Nombre d'ondulations (par tour)
O.D. = Diamètre extérieur (po)
P = Charge (lb.)
S = Contrainte de travail (psi)
t = Épaisseur du matériau (po)
W.H. = Hauteur de travail (po) [H-F]
Z = Nombre de tours

Facteur d'ondulations multiples (K)
N	2,0 - 4,0	4,5 - 6,5	7,0 - 9,5	10,0 +
K	3,88	2,90	2,30	2,13

Crest-To-Crest 

Force faible à moyenne

Raideur de ressort faible à moyenne

Grande déflexion

Caractéristiques de charge/déflexion précises

Les ressorts de compression en fil plat Crest-to-Crest Spirawave sont pré-empilés en série, ce qui réduit la raideur du ressort d'un facteur proportionnel au nombre de tours.

Équations

Nomenclature

b = Paroi radiale, po [(O.D. - I.D.) ÷ 2]
Dm = Diamètre moyen, po [(O.D. + I.D.) ÷ 2]
E = Module d'élasticité (psi)
f = Déflexion (po)
H = Hauteur libre (po)
I.D. = Diamètre intérieur (po)
K = Facteur d'ondulations multiples
L = Longueur linéaire totale (po)
N = Nombre d'ondulations (par tour)
O.D. = Diamètre extérieur (po)
P = Charge (lb.)
S = Contrainte de travail (psi)
t = Épaisseur du matériau (po)
W.H. = Hauteur de travail (po) [H-f]
Z = Nombre de tours

Facteur d'ondulations multiples (K)
N	2,0 - 4,0	4,5 - 6,5	7,0 - 9,5	10,0+
K	3,88	2,90	2,30	2,13

Spirawave imbriqué

Force élevée

Raideur de ressort élevée

Déflexion courte

Caractéristiques de charge/déflexion précises

Les ressorts ondulés Spirawave imbriqués sont des ressorts ondulés en fil plat comportant plusieurs spires alignées en parallèle, ce qui augmente la raideur du ressort d'un facteur lié au nombre de spires.

Équations :

Nomenclature

Facteur d'ondulations multiples (K)
N	2,0 - 4,0	4,5 - 6,5	7,0 - 9,5	10,0+
K	3,88	2,9	2,3	2,13

Introduction à la conception des ressorts

Solutions de ressorts standard vs solutions de ressorts personnalisés

Définition des exigences relatives au ressort

Considérations relatives à la conception des ressorts ondulés

Calcul des performances des ressorts

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