Un ressort est un organe ou pièce mécanique qui utilise les propriétés élastiques de certains matériaux pour absorber de l'énergie mécanique, produire un mouvement, ou exercer un effort ou un couple.. vignette|Ressorts ferroviaires.
Description
Des peintures rupestres attestent que l'homme a inventé cette pièce depuis plus de , sous la forme de l'arc, constitué essentiellement d'une pièce courbe flexible dont l'élasticité permet de ramener la pièce à sa position initiale lorsqu'elle est déforméeD'où le terme « ressort de rappel ». ; le ressort a ainsi joué un rôle déterminant dans l'essor des civilisations.
Un ressort idéal est parfaitement élastique et reprend sa forme de repos, ou l'une de ses formes de repos s'il en a plusieurs, après avoir subi une déformation.
On peut distinguer plusieurs grandes catégories de ressorts en fonction des matériaux utilisés, qui peuvent être des métaux, des élastomères, des matériaux composites ou encore des gaz.
Définitions Selon la norme ISO 26909:2010
Caractéristiques générales des ressorts
Un des paramètres essentiels à l'étude d'un ressort est la connaissance de sa loi de comportement. Celle-ci décrit le lien qui existe entre l'effort appliqué sur le ressort (force ou moment de force) et la déformation qui en résulte (allongement ou rotation, respectivement) :
Pour un état de contrainte ou de déformation donné, le rapport entre la sollicitation et la déformation est appelé raideur :
Il est exprimé en : dans le cas d'un allongement ; dans le cas d'une rotation.
L'inverse de la raideur., , est la souplesse. ou compliance..
Un comportement dit linéaire s'apparente à la loi de Hooke : la déformation est alors proportionnelle à l'effort appliqué, et la raideur est une constante indépendante de la charge. Il s'agit de la loi de comportement la plus simple. La courbe qui représente le résultat de sa déformation d'ensemble, en fonction de l'effort appliqué, est une droite. L'allongement ou la rotation sont alors proportionnels à la force ou au couple qui l'a provoquée. Le coefficient de proportionnalité est la raideur .
Bien que le comportement linéaire soit le plus fréquemment évoqué ou recherché, par facilité ou pour de vrais impératifs techniques, les lois qui relient les déformations d'ensemble des ressorts aux efforts qui leur sont appliqués sont beaucoup plus variées que ce que l'on pense généralement ; tout l'art des concepteurs et des fabricants de ressorts consiste à les adapter le mieux possible aux besoins.
Nota : ne pas confondre les deux termes raideur et rigidité. Même s'ils sont plus ou moins interchangeables dans le langage courant, du point de vue technique la raideur s'applique aux pièces tandis que la rigidité caractérise les matériaux.
Association de ressorts
En faisant l'hypothèse d'un comportement linéaire du ressort, selon la relation où la raideur globale est constante, on obtient les relations suivantes pour les combinaisons habituelles de plusieurs ressorts :
ressorts disposés en parallèle de sorte que les ressorts aient tous la même déformation : déformation totale : effort total : thèse : raideur totale : démonstration : et, puisque tous les allongements sont identiques, d'où la raideur de l'ensemble en éliminant . ressorts disposés en série (les ressorts sont soumis au même effort ; la déformation totale est la somme des déformations individuelles) : déformation totale : effort total : thèse : souplesse totale : démonstration : En remplaçant les déformations par leur expression en fonction de l'effort, et, puisque toutes les forces sont identiques, d'où la souplesse de l'ensemble en éliminant .
Ressorts métalliques
Si la conception d'un ressort de qualité nécessite de solides connaissances dans les domaines de l'analyse des contraintes et de la mécanique rationnelle, la concrétisation d'un projet pose des questions de choix de matériaux (nature, traitements), de mise en forme et surtout de qualité de surface (structure, contraintes résiduelles, rugosités) dès lors que l'on travaille sur un mécanisme en mouvement.
Bien que de nombreux ressorts soient sollicités à des fréquences assez élevées ou très élevées, nous nous limiterons ici à une étude statique ou quasi statique. Quand les déformations ont lieu à faible vitesse, les variations de charge sont répercutées sans décalage de temps dans toute la masse du ressort. Par contre, dans le cas d'un fonctionnement dynamique à haute fréquence, les charges appliquées à une extrémité d'un ressort ne sont pas transmises instantanément jusqu'à l'autre ; ce retard engendre des phénomènes vibratoires que l'on peut parfois mettre à profit mais qui sont le plus souvent indésirables. Les motoristes, par exemple, n'apprécient guère la « danse » des ressorts de soupapes.
Les ressorts, évidemment destinés à se déformer sous charge, sont fondamentalement différents des autres pièces mécaniques que l'on souhaite ordinairement aussi peu déformables que possible. Nous utiliserons malgré tout les formules classiques des poutres étudiées en résistance des matériaux, bien qu'elles ne soient applicables en toute rigueur que dans le cas de petites déformations. De toute manière, la précision apportée au calcul des ressorts n'a de sens que si l'on dispose des matériaux permettant d'obtenir et surtout de conserver dans la durée les caractéristiques adéquates.
Matériaux et traitements
Un bon matériau pour réaliser des ressorts possède une résistance vive élastique aussi grande que possible, étant la limite d'élasticité et le module de Young de ce matériau. Toutefois, une haute limite d'élasticité ne suffit pas, il faut qu'elle s'accompagne d'une bonne résilience et d'une bonne endurance vis-à-vis des efforts alternés.
Parmi les aciers, une première famille est celle des aciers mangano-siliceux contenant de 1,5 à 2 % de silicium, 0,6 à 0,7 % de manganèse, 0,4 à 0,6 % de carbone, avec éventuellement un peu de chrome, de tungstène, de molybdène ou de vanadium. Citons les nuances suivantes : 45S7 (ressorts à lames), 55S7, 45SCD6, 60SC7, (barres de torsion), 45SW8. On trouve aussi des aciers au chrome, avec du vanadium, du manganèse ou du silicium-molybdène, par exemple : 45C4, 50CV4. Ces matériaux n'existent que dans des grandes dimensions : fil de diamètre supérieur à , lame d'épaisseur supérieure à .
L'élinvar (« acier » à 33 % de nickel, 12 % de chrome, 1,2 % de manganèse) a un module d'Young indépendant de la température. Il sert à la fabrication de ressorts destinés à des appareils de précision (galvanomètres, sismographes, chronomètres, diapasons, etc.). Cette matière est peu disponible, et donc très chère.
La limite d'élasticité des aciers baisse rapidement lorsque la température s'élève. Les alliages du type INCONEL à base de nickel (45 à 75 %), de chrome (15 %), de cobalt, molybdène, tungstène, titane, fer, et aluminium conservent des propriétés correctes jusqu'à . Comme la matière précédente, cette matière coute cher, mais on la trouve assez aisément.
La corde à piano est (en principe) un fil d'acier à 0,8 - 1 % de carbone, dont la surface polie est exempte de défauts ou d'imperfections notables susceptibles d'amorcer des ruptures de fatigue. On atteint normalement une limite d'élasticité pour le fil de et pour le fil de . Toutefois, il faut se méfier de la « corde à piano » achetée au rayon bricolage du supermarché du coin, car elle risque fort de ne pas approcher ces performances... (Il existe plusieurs types de corde à piano : B1 équivalent à un XC65 - C1 ou SH équivalent à un XC75. Ces deux matières sont d'un coût modique et souvent employées. G1 équivalent à un XC85 2 à 3 fois plus cher que la précédente et n'apporte rien de plus pour des diamètres supérieurs à 2,5mm)
Inox AISI 302 (Z12 CN 18-8)/AISI 316 (Z11 CND 17-6) : ces matières très proches en utilisation par rapport à l'acier ci-dessus possèdent l'avantage d'être peu sensibles à la rouille. Leur coût est légèrement supérieur à celui de l'acier ci-dessus, mais devient plus économique dans le cas de faibles quantités devant être protégées contre la rouille.
Un matériau trop peu connu mais largement utilisé en construction électrique est le cuivre au béryllium (1 à 2 %). Il permet de réaliser des ressorts très bons conducteurs de l'électricité et de la chaleur. Sa limite d'élasticité atteint , avec une très bonne endurance. Cette matière requiert un traitement thermique de qualité après utilisation, et souvent un revêtement de type étamage pour en faciliter la soudure.
Les alliages à mémoire de forme (par exemple, le Nitinol, alliage de nickel, titane et cuivre) constituent une solution intéressante quand la détente du ressort doit être différée dans le temps. Ils présentent plusieurs propriétés très spéciales, entre autres l'effet mémoire simple sens qui permet à l'alliage de retrouver sa forme initiale après une déformation mécanique ou thermique et l'effet mémoire double sens qui le rend capable après « éducation » d'avoir deux positions stables au-dessous et au-dessus d'une certaine « température critique ». Des ressorts peuvent ainsi rester « au repos » à température ambiante et devenir « actifs » si leur température augmente. Ils ont des applications fort intéressantes en orthodontie, dans les systèmes d'assemblage mécanique, les appareillages de sécurité, etc.
Aux très basses températures (), les aciers sont presque tous extrêmement fragiles mais on peut utiliser d'autres métaux comme le plomb. Bien sûr, un ressort en plomb ne doit jamais être ramené sous charge à la température ambiante.
Le détail des procédés de fabrication sort du champ de cet article. Signalons simplement que tous les ressorts sérieux subissent des traitements mécaniques qui, mettant en compression les couches superficielles du métal, minimisent la formation et la propagation des fissures de fatigue. Ces traitements peuvent être le galetage (barres de torsion) ou le grenaillage de précontrainte (en anglais shot peening). La préconformation des ressorts est également une solution pour créer, aux endroits les plus sollicités, les contraintes résiduelles de compression ou de cisaillement adéquates. Mais si un ressort est correctement calculé, le grenaillage de précontrainte, ou la préconformation des ressorts est inutile et coûteuse.
Calcul de la raideur
Il est très souvent utile de connaitre la raideur d'un ressort à spires. Pour cela on utilise la formule :
où : est la raideur du ressort en ; est le module de cisaillement ou module de Coulomb en , égal à environ (= ) pour les aciers ; est le module de Young en ; est le coefficient de Poisson, adimensionnel, égal à 0,33 pour les aciers ; est le nombre de spires utiles (sans unité) ; est le diamètre du fil en ; est le diamètre moyen ou diamètre d'enroulement des spires en (la moyenne entre les diamètres intérieur et extérieur des spires).
Ressorts dont la matière travaille en torsion
Ressorts apparentés
vignette|Ressort en fil rectangulaire. Au lieu d'un fil rond, on peut utiliser d'autres formes, elliptique, rectangulaire… Parfois, les ressorts à fil rectangulaire sont obtenus par taillage dans un tube.
Les ressorts coniques sont enroulés à pas constant (sur le ressort à l'état libre, on s'élève d'une même quantité à chaque tour) ou à pente constante (les spires sont de plus en plus serrées au fur et à mesure que l'on se rapproche de l'extrémité de petit diamètre). Dans le premier cas, on peut obtenir une raideur de plus en plus forte au fur et à mesure de la compression (les spires de plus fort diamètre sont les plus souples et se compriment « à bloc » les premières) ou un encombrement minimal une fois la compression réalisée. Dans le second cas, on minimise la variation de raideur, les spires s'écrasent de façon à peu près simultanée mais une fois complètement aplati, le fil prend l'aspect d'une spirale de plus en plus lâche au fur et à mesure que l'on s'éloigne du centre.