Ressòrt

Un ressòrt es un organ o pèça mecanica qu'utiliza las proprietats elasticas d'unes materials per absorbar d'energia mecanica, produire un movement, o exercir un esfòrç o un parelh.

Ressòrts ferroviaris.

Descripcion

De pinturas rupèstras mòstran que l'Òme inventèt aquesta pèça dempuèi mai de 10 000 ans, jos la forma de l'arc, constituit subretot d'una pèça corba flexibla que l'eslasticitat permet de torna la pèça a sa position iniciala quean es desformada; lo ressòrt joguèt tanben un ròtle determinant dins l'espelida de las civilizacions.

Un ressòrt ideal es perfièchament elastic e torna a sa forma de repaus, o una de sas fòrmas de repaus se n'a mai d'un, après aver subís una deformacion.

Se pòt destriar diferentas grandas categorias de ressòrts segon los materials utilizats, que pòdon èsser de materials, d'elastomèrs, de materials composits o de gases.

Definicions

Segon la nòrma ISO 26909:2010

“ ressòrt:
dispositiu mecanic concebut per emmagazinar de l'energia quand es deformat e ne tornar la mèsma quantitat quand es destibat ”

Caracteristicas generalas dels ressòrts

Un dels paramètres essencials a l'estudi d'un ressòrt es la coneissença de sa lei de comportament. Aquò descrich lo ligam qu'existís entre l'esfòrç $S$ aplicat sul ressòrt (fòrça o moment de fòrça) e la deformacion $u$ que ne resulta (alongament o rotacion, respectivament):

$u=f(S)$

Per un estat de constrencha o de deformacion donat, lo rapòrt entre la sollicitacion e la deformacion es nomenada regdor:

$k={\frac {S}{u}}$

• N·m⁻¹ dins lo cas d'un alongament;
• N·m·rad⁻¹ dins lo cas d'una rotacion.

L'invèrs de la regdor, ¹⁄_k, es la soplesa o compliança.

Un comportament dich linear paréis a la lei de Hooke: la deformacion es alara proporcionala a l'esfòrç aplicat, e la regdor es une constanta independanta de la carga. S'agís de la lei de comportament mai simpla. La corba que representa lo resultat de sa deformacion d'ensemble, en foncion de l'esfòrç aplicat, es una drecha. L'alongament $u$ o la rotacion $\theta$ son alara proporcionals a la fòrça $T$ o al parelh $C$ que la provoquèt. Lo coeficient de proporcionalitat es la regdor $k$.

Pasmens se lo comportament linear siá lo mai sovent evocat o cercat, per facilitat o per de verais imperatius tecnics, las lois que ligan las deformacions d'ensemble dels ressòrts als esfòrces que lor son aplicats son fòrça mai variats que se pensa abitualament; tot l'art dels concepteires e dels fabricants de ressòrts consistís a los adaptar mai que possible als besonhs!

Nòta: i a diferéncia entre regdor e rigiditat. Al vejaire tecnic la regdor s'aplica a las pèças alara que la rigiditat caracteriza los materials.

Associacion de ressòrts

Fasent l'ipotèsi d'un comportament linear du ressòrt, segon la relacion $S_{\text{tot}}=k_{\text{tot}}u_{\text{tot}}$ ont la regdor globala $k_{\text{tot}}$ es constanta, s'oben las relacions seguentas per las combinasons abitualas de diferents ressòrts:

• Ressòrts dispausats en parallel de biais que los ressòrts ajan totes la mèsma deformacion:
  • Deformacion totala: $u_{\text{tot}}=u_{1}=u_{2}=u_{3}=\ldots =u_{n}$
  • Esfòrç total: $S_{\text{tot}}=S_{1}+S_{2}+S_{3}+\ldots +S_{n}$
  • Regdor totala: $k_{\text{tot}}=k_{1}+k_{2}+k_{3}+\ldots +k_{n}$
  • Demonstracion: $S_{\text{tot}}=k_{1}u_{1}+k_{2}u_{2}+k_{3}u_{3}+\ldots +k_{n}u_{n}$ e, que totes los alongaments son identics, $S_{\text{tot}}=(k_{1}+k_{2}+k_{3}+\ldots +k_{n})u_{\text{tot}}=k_{\text{tot}}u_{\text{tot}}$ d'ont la regdor de l'ensemble en eliminant $u_{\text{tot}}$.

• Ressòrts dispausats en seria (los ressòrts son someses al mèsme esfòrç; la deformacion totala es la soma de las deformacions individualas) :
  • Deformacion totala: $u_{\text{tot}}=u_{1}+u_{2}+u_{3}+\ldots +u_{n}$
  • Esfòrç total: $S_{\text{tot}}=S_{1}=S_{2}=S_{3}=\ldots =S_{n}$
  • Soplesa totala: ${\frac {1}{k_{\text{tot}}}}={\frac {1}{k_{1}}}+{\frac {1}{k_{2}}}+{\frac {1}{k_{3}}}+\ldots +{\frac {1}{k_{n}}}$
  • Demonstracion : $u_{tot}=u_{1}+u_{2}+u_{3}+\ldots +u_{n}$En remplaçant las deformacions per lor expression segon l'esfòrç, $u_{i}={\tfrac {S_{i}}{k_{i}}}$$u_{\text{tot}}={\frac {S_{\text{tot}}}{k_{\text{tot}}}}={\frac {S_{1}}{k_{1}}}+{\frac {S_{2}}{k_{2}}}+\ldots +{\frac {S_{n}}{k_{n}}}$e, que totas las fòrças son identicas, $u_{\text{tot}}={\frac {S_{\text{tot}}}{k_{\text{tot}}}}=S_{\text{tot}}\left[{\frac {1}{k_{1}}}+{\frac {1}{k_{2}}}+\ldots +{\frac {1}{k_{n}}}\right]$d'ont la soplesa de l'ensemble en eliminant $S_{\text{tot}}$.

Ressòrts metallics

Se la concepcion d'un ressòrt de qualitat demanda de solidas coneissenças dins los domènis de l'analisi de las constrenchas e de la mecanica racionala, la concretisacion d'un projècte pausa de questions de causida de material (natura, tractaments), de mesa en forme e sbretot de qualitat de superfícia (estructura, constrenchas residualas, rugositats) d'el moment que se trabalha travaille sus un mecanisme en movement.

Pasmens se fòrça ressòrts sián sollicitats a de frequéncias pro nautas o fòrça nautas, se limita aquí a un estudi estatic o gaireben. Quand las deformacions se debanan a fèble velocitat, las variacions de carga son repercutadas sens escart de temps dins tota la massa del ressòrt. Per contra, dins lo cas d'un foncionament dinamic de nauta frequéncia, las cargas aplicadas a un tèrme d'un ressòrt son pas transmesas instantanèament fins a l'autre; aqueste retard provòca de fenomèns vibratòris que se pòt a vegada valorizar mas que son mai sovent indesirables.

Los ressòrts, que son destinats a se deformar sota carga, son fondamentalament diferents de las autras pèças mecanicas que son realizadas per èsser tant pauc deformablas que possible. Pasmens utilizaram las formulas classicas de las bigas estudiadas en resisténcia dels materials, quitament se son applicablas en tota rigor sonque dins le cas de pichonas deformacions. Que que siá, la precision donada al calcul dels ressòrts a de sens que se dispausam de materials permetent d'obténer e subretot gardar dins la durada las caracteristicas que cal.

Materials e tractaments

Un bon material per realizar de ressòrts possedís una resisténcia viva elastica ^R_e2⁄_2E tan granda que possible, $R_{e}$nt la limita d'elasticitat e $E$ lo modul de Young d'aqueste material. Pasmens, una nauta limita d'elasticitat sufís pas, cal que s'acompanhe d'una bona resiliéncia e d'una bona endurança al respècte dels esfòrces alternats.

D'entre los acièrs, una premièra familha es aquesta dels acièrs manganès silici contenent de 1,5 a 2 % de silici, 0,6 a 0,7 % de manganès, 0,4 à 0,6 % de carbòni, amb possiblament un pau de cròme, de tungstèn, de molibdèn o de vanadi. I a las nuàncias seguentas: 45S7 (ressòrts de lamas), 55S7, 45SCD6, 60SC7, (barras de torsion), 45SW8. I a tanben d'acièrs al cròme, amb de vanadi, de manganès o du silici-molibdèn, per exemple: 45C4, 50CV4. Aquestes materials existisson pas que dins de grandas dimensions: fial de diamètre superior a 6 mm, lama d'espessor superiora a 4 mm.

L'elinvar (« acièr » à 33 % de niquèl, 12 % de cròme, 1,2 % de manganès) a un modul d'Young independent de la temperatura. Servís a la fabricacion de ressòrts destinats a d'aparelhs de precision (galvanomètres, sismografs, cronomètres, diapasons, etc.). Aquesta matèria es pauc disponibla, e donc caretiosa.

La limita d'elasticitat dels acièrs bassa rapidament quand la temperatura s'auça. Los aliatges del tipe INCONEL a base de niquèl (45 a 75 %), de cròme (15 %), de cobalt, molibdèn, tungstèn, titani, fèrre, e alumini gardan de proprietats corrèctas fins a 400-500 °C. Coma la matèria precedenta, aquesta matèra es cara, mas se trapa aisidament.

La còrda de piano es (en principi) un fial d'acièr de 0,8 - 1 % de carbòni, que la superfícia polida es levada de decas o d'imperfeccions notablas susceptibles de provocar de riscs de rupturas de lassièra. S'atenh normalament una limita d'elasticitat R_e = 1 210 MPa pel fial de 0,5 mm e R_e = 1 125 MPa pel fial de 13 mm.

Inòx AISI 302 (Z12 CN 18-8)/AISI 316 (Z11 CND 17-6): aquestas matèrias son plan pròchas dins l'utilizacion de l'acièr çai dessús possedisson l'avantatge d'èsser pauc sensibles a la rovilha. Lor cost es un pauc superior a aqueste de l'acièr çai dessús, mas ven mai economic dins lo cas de fèblas quantitats devent èsser protegidas contra la rovilha.

En construccion electrica s'utiliza lo coire al berilli (1 a 2 %). Permet de realizar de ressòrts plan bons conductors de l'electricitat e de la calor. Sa limita d'elasticitat atenh 1000 MPa, amb una plan bona endurança. Aquestas matèria demanda un tractament termic de tria après utilizacion, e sovent una capa de tipe estamatge per ne facilitar la sóudadura.

Los alliatges de memòria de forma (per exemple, lo Nitinol, aliatge de niquèl, titani e coire) constituisson una solucion interessanta quand la destenda del ressòrt dèu èsser retardada dins lo temps. A de proprietats especialas, coma l'efièch memòria simple sens que permet a l'aliatge de tornar a sa forma iniciala après una deformacion mecanica o termica e l'efièch memòria doble sens que lo fa capable après « educacion » d'aver doas posicions establas al dejós e al dessús d'una cèrta « temperatura critica ». De ressòrts pòdon alara demorar « al repaus » a temperatura ambianta e venir « actius » se lor temperatura aumenta. an d'aplicacions plan interessantas en ortodoncia, dins los sistèmas d'assemblatge mecanic, los aparelhatges de seguretat, etc.

A de temperaturas fòrça bassas (-150 a -200 °C), los acièrs son gaireben sempre fòrça fragils mas se pòt utilizar d'autres merials comma lo plomb. Se degur, un ressòrt de plomb se lo seu jamai tornar a temperatura ambianta.

Calcul de la regdor

Es plan sovent util de conéisser la regdor $K$ d'un ressòrt d'espiras. Per aquò s'utiliza la formula:

$K={\frac {Gd^{4}}{8nD^{3}}}$

Ont:

• $K$ es la Regdor del ressòrt en N/mm
• $G={\frac {E}{2(1+\nu )}}$ es lo modul de cisalhament o modul de Coulomb en N/mm², egal a environ 81 000 MPa (=81 000N/mm²) pels acièrs
• $E$ es lo modul de Young en N/mm²
• $\nu$ es lo coeficient de Poisson, adimensional, egal a 0,33 pels acièrs
• $n$ es lo nombre d'espiras utilas (sens unitat)
• $d$ es lo diamètre del fial en mm
• $D$ es lo diamètre mejan o diamètre d'enrotlament de las espiras en mm (la mejana entre los diamètres interior e exterior de las espiras)

Ressòrts que la matèria trabalha en torsion

Ressòrts aparentats

Ressòrt de fial rectangular

Puslèu que d'un fial redond, se pòt utilizar d'autras formas, elliptica, rectangulara, ... A vegada, los ressòrts de fial rectangular son talhats obtenus dins un tube.

Los ressòrts conics son enrotlats de pas constant (sul ressòrt a l'estat liure, s'auça d'una mèsma quantitat a cada torn) o de penjal constant (las espiras son sempre mai quichadas al l'apròcha del tèrme de pichon diamètre).

• dins lo primièr cas, se pòt obténer una regdor sempre mai fòrta amb la compression (les espiras de mai fòrt diamètre son mai soplas e se comprima « a fons » las primièras) o un encombrament minim un còp la compression realizada.
• dins lo segond cas, se merma la variacion de regdor, las aspires s'espotís de biais gaireben esimultanèu mas un còp complètament aplatat, lo fial pren l'aspècte d'una espirala sempre mai flac que s'alunha lo centre.

Totes los ressòrts conics pòdon pas se metre « a plat ».

• 
  Ressòrt conic
• 
  Ressòrt conic
• 
  Ressòrt conic

Pels ressòrts de voluta s'utiliza pas pus de fial mas de bendas de tòla especiala de talh diferent segon los perfils. Se se vòl una regdor variabla, cal prene una largor constanta de biais que las espiras de mai grans diamètre s'afaissan las primièras. Se al contrari se vòl que la regdor demora constanta, alara cal far de biais que la seccion ane aumentar de l'interior cap a l'exterior. Es tanben possible de realizar de ressòrts de doble voluta.

• 
  Ressòrt de volutas
• 
  Ressòrt de voluts
• 
  Ressòrt de dobla volutas

Otra lors caracteristicas mecanicas un pauc especialas, los ressòrts de voluta an la particularitat de presentar una estructura tampada, limitant los riscs de blocatge per de còrs estrangièrs. Lo ressòrt de dobla voluta, per exemple, es plan sovent utilizat per escartar las doas brancas dels secators. Los jardinièrs aman pas fòrça los secators dotadas de ressòrts elicoïdals ordinaris, que las buscalhas los blocan aisidament.

Diferents ressòrts metallics

Diafragmes

Diferents fabricants prepausan de pèças estandardizadas que foncionan coma las rondèlas Belleville mas plan mens regde. Cal consultar lors catalògs per mai d'informacion.

• 
  Ressòrt-diafragme de copèla de lamas multiplas utilizat en particular dins unes embragatges
• 
  Rondèla Ringspan
• 
  Diafragme conic Borelly

Ressòrts anulars

Ressòrt d'anèls d'acièr

Se realiza de sistèmas elastics de nautor variabla empilant d'anèls conics. De tals sistèmas, someses a una carga axiala, merman de longor en rason de la dilatacion dels anèls exteriors e de la contraccion dels anèls interios. Los anèls interiors « mascles » penetran dins los anèls exteriors « femnes ».

Ressòrt d'anèls

Los frejaments fòça importants que se produson entre los anèls son tals que la fòrça axiala provesida pendent la destenda de l'empilament es plan largament inferiora a aquesta qu'èra aplicada pendent de la mesa en carga. Provocan una pèrda d'energia considerabla que correspond a la zona raiada del diagrama representant lo cicle compression-destensa. Se pòt valorizar aquesta particularitat dins de mecanismes coma los tampons del material rotlant ferroviari, que contribuisson a absorbar los tusts.

Ressòrt d'anèl d'acièr

En remplaçant una o mai dels anèls interiors complets per d'anèls fenduts, se pòt donar a aqueste ressòrt un tot autre comportament: ven « mòl » al començament de sa deformacion, puèi sempre mai « dur ».

Rondèlas ondejadas

Existís de multiples tipes de rondèlas ondejadas. Son utilizada per exemple per corregir de jòcs o per remplaçar los ressòrts d'espirala. Fòrça materials son utilizats segon las especificitats.

Diferentas pèças elasticas

Pèça de fial metallic

Existís d'innombrablas pèças elasticas jogant lo ròtle de ressòrts dins fòrça mecanismes, amb de caracteristicas especificas e que fòra de la produccion estandardizada, coma de pèças de fial metallic.

Ressòrt bal seal

Ressòrt d'espiras clinadas

Los jonchs d'estanqueïtat Bal-Seal possedisson de ressòrts d'espiras aplatadas que lor donan l'elasticitat radiala necessària per un bon contacte interior e exterior sus las pèças d'estancar:

Fòrça ressòrts son realizats a partir de fuèlha dich « tòla blava » talhada e realizat sus demanda. Pel material electric, quand se vòl de pèças a l'encòp elasticas e bonas conductriças, s'utiliza dins las mèsmas condicions au coire al berilli.

• 
  Ressòrt de lama
• 
  Ressòrt de lama
• 
  Ressòrt de lama
• 
  Un ressòrt especial

Es possible de realizar de pèças mai complèxas per talh, embotissatge e formatge.

Ressòrts en elastomèrs

En mai del fach qu'es fòrça mai fèble qu'aqueste dels metals, lo modul d'elasticitat dels cauchó varia amb la forma de l'element elastic, que varia ela tanben fòrça amb la carga aplicada. Es donc practicament impossible d'obténer de caracteristicas linearas, subretot dins lo cas dels ressòrts de compression.

De fach, aquesta particularitat es sovent valorizada per amortir las vibracions entre los dos elements ligats pel ressòrt. En efièch, l'energia portada per la vibracion sinusoïdala d'un element va se trobar despartida, a la sortida, entre la frequéncia fondamentala e sas armonicas, que ne son de multiples. E, se sap que mai une vibracion a una frequéncia auçada e mai aisit de l'amortir.

Se los ressòrts de cauchó an una plan bona resistança a las sollicitacions dinamicas, demoran tanben, a de gras diferents, los efièchs de l'isterèsis mecanica que fa que lo retorn a lor forma iniciala es pas instantanèa après que subiguèron una deformacion. Aquò es degut al comportament sempre mai o mens viscoelastic d'aquestes materials. Se cal pas obliar que lo fenomèn d'isterèsi es d'en primièr un fenomèn de retard d'un efièch sus una causa.

Aquesta isterèsi provòca la transformacion en calor, al quite interior del material viscoelastic, d'una partida de l'energia provesida. Lo cauchó essent mal conductor de la calor, ne resulta un caufament intèrne susceptible, per de mecanismes mal estudiats, de provocar la degradacion o la destruccion del cauchó. De signalar tanben que lo modul d'elasticitat varia amb la temperatura, amb la velocitat d'aplicacion de la carga, e qu'evolua amb lo temps a causa del vielhiment del material.

Totes aquestes factors interagisson e dins aquestas condicions, se compren aisidament que las caracteristicas d'un ressòrt de cauchó pòdon pas èsser definidas amb la mèsma precision qu'aquestas d'un ressòrt metallic. Per contra, es relativament aisit d'obténer de moduls d'elasticitat e de las capacitats d'amortiment plan variables, jogant sus la natura e las proporcions dels constituents de la mescla d'utilizar.

Ressòrts en materials composits

Los composits fibras-resina an una granda capacitat d’absorpcion d’energia per deformacion elastica quand las fibras son orientadas dins lo sens de las mai grandas sollicitacions. Los principals avantatges del ressòrt composit son una bona resistança a la corrosion, una longa durada de vida, un bruch en utilizacion fèble, una frequéncia pròpra nauta, un bon efièch tampon e un ganh de pes non negligible pels sistèmas embarcats.

Lo desvelopament d'aquestes ressòrts es valorizat en granda partida dins l’automobila ont lo ganh de peses al respècte d'un ressòrt en acièr pòt aténher 60 %. A causa de l’abséncia de corrosion e d’oxidacion la durada de vida aumenta, lo risc de rompadura subte bassa fòrt fòrt, aumentant tanben la securitat. Lo confòrt es tanben aumentat a causa de la reduction dels bruchs residuals.

Los ressòrts en materials composits son de biais general mai ecologic que los estandards ressòrts elicoïdals en acièr. Lor procediment de fabricacion demanda ni tractaments termics ni tractaments de superfícia, mermant atal la quantitat d’energia utilizada a sa fabricacion.

Lor composicion varia segon las fabricacions, mas demora a l'entorn de ¾ de fibra de veire per ¼ de resina Epoxy. La fibra de carbòni essent avantatjosa sul plan de l'aleujament, mas es plan carestios a la produccion.

Ressòrts de gas

Lo ressòrt de gas es un tube estanc contenent un gas comprimit en que se desplaça un piston ligat a l’exterior per una tija. Aquestes crics contenon una pichona quantitat de lubrificant pel bon foncionament de la tija.

Segon l’utilizacion e l’esfòrç necessari de provesir, los crics son mai o mens tarats per servir de contrapes per la dobertura o/e la tancadura de las pòrtas, de cofres de bagatges, de capòts motors, etc. dels veïculs automobils.

Utilizacions

Slinky de plastic de las colors de l'arc de Sant Martin.

Los ressòrts son uèi fòrça espandits dins totas menas de maquinas e d'equipaments. Lors foncions son plan diferentas. Per exemple:

• retorn d'una pèça escartada de sa posicion d'equilibre (pòtas batentas tipe « saloon », aparelhs de mesura),
• manten d'un sarratge (pinças pel linge),
• dobertura rapida (cotèl de cranc d’arrêt),
• suspension d'un veïcul (ressòrts de lamas, ressòrts elicoïdals, sistèmas idropneumatics),
• emission de sons (diapasons, bòstia de musica),
• reparticion de cargas (saumièrs e matalàs de ressòrts),
• accumulacion d'energia (motors de joguina, de relòtges) ressòrt motor,
• amortidor de tusts (tampons de material ferroviari),
• mesura e/o fixacion de la valor d'un esfòrç (claus dinamometricas),
• compensacion d'una carga o d'un pes (baia arrièra de veitura, pòrtas de lavavaissèla),
• aplicacion d'un esfòrç dins un objectiu terapeutic (aparelhs ortodontics),
• utilizacion coma jogina o objècte decoratius o de léser

Annèxes

Ligams extèrnes

• (en)Coil spring calculator
• (en) Institute of Spring Technology
• (en) Spring Manufacturers Institute
• (en) spring manufacturing machine