Les ressorts de compression stockent l'énergie mécanique lorsqu'ils sont comprimés et la libèrent lorsque la charge est supprimée. Bien que les ressorts de compression soient généralement fabriqués en acier à ressort, ils peuvent également contenir du carbone, du magnésium, du nickel, du chrome, de l'étain, du cuivre, du tungstène et de l'aluminium.
Différents matériaux créent différents degrés d’élasticité et de capacité de stockage d’énergie pour les ressorts de compression.
Robert Hooke a proposé dès 1676 une formule pour calculer la force exercée par un ressort, proportionnelle à son allongement.
Les ressorts de compression sont des dispositifs mécaniques spécialement conçus pour détecter les charges de compression axiales. Ils peuvent généralement aussi s’étirer et tourner jusqu’à un certain point. D'une manière générale, les ressorts de compression peuvent stocker de l'énergie mécanique lorsqu'ils sont soumis à des charges de compression. Une fois la charge retirée, ils reprendront leur forme et leur taille d'origine en subissant une déformation élastique.
Cette capacité unique à stocker de l’énergie potentielle, combinée à sa relative simplicité et son prix abordable, rend les ressorts de compression précieux dans une large gamme d’applications. Des boutons de clavier mécaniques, matelas et stylos à bille, aux armes à feu et aux amortisseurs de suspension de voiture. Depuis le XVe siècle, nous utilisons des ressorts de compression, et le premier ressort de compression a été utilisé dans les appareils horlogers.
Types de ressorts de compression
Les ressorts de compression peuvent avoir de nombreuses formes géométriques différentes. Les plus courants sont les ressorts hélicoïdaux ou hélicoïdaux. Cette forme est plus populaire que les autres formes car elle permet une compression et une expansion élevées et transparentes jusqu'à un certain point. Il est également plus léger car il utilise moins de matériaux pour répondre au besoin d’absorption des charges de compression. Enfin, la forme du ressort hélicoïdal confère à ce type une constante de ressort relativement importante (qui sera expliquée en détail ultérieurement).
Cette catégorie est divisée en sous-catégories, notamment :
Matériau du ressort de compression
Les ressorts de compression sont généralement fabriqués en acier à ressort, un type d'acier à haute limite d'élasticité. Cela leur permet de conserver leur forme, leur taille et leur forme d'origine même lorsqu'ils sont déformés à l'extrême. Ces aciers présentent donc un grand espace de déformation élastique sous contrainte. Cela se produit au niveau moléculaire, la composition de ces aciers a donc un impact significatif sur leur élasticité.
D'une manière générale, l'acier à ressort contient du carbone et du manganèse, ainsi que du nickel, du chrome, du molybdène, de l'étain, du vanadium, du cuivre, du fer, du tungstène et de l'aluminium. L'acier à ressort est classé par l'ASTM officiel en fonction de sa limite d'élasticité et de sa dureté, de sorte que différentes compositions de matériaux peuvent convenir à différentes applications. Par exemple, la norme ASTM A228 est utilisée pour les cordes de piano, contenant 0,7 % -1 % de carbone et 0,2 % -0,6 % de manganèse, avec un rendement maximal. résistance de 530 mégapascals et une résistance à la traction de 400 mégapascals.
Caractéristiques des ressorts de compression
Dans cette section, je me concentrerai sur l’introduction des ressorts hélicoïdaux non enroulés, car ces ressorts sont les ressorts de compression les plus largement utilisés. Ces ressorts présentent certaines caractéristiques qui ont une grande importance pour leurs performances. Le diamètre extérieur (D) fait référence au diamètre du cylindre formé par le ressort vu du dessus. Le diamètre de la bobine fait référence à l'épaisseur (d) du fil du ressort, qui est également cylindrique. La longueur libre (L) fait référence à la longueur totale du ressort sans aucune compression, tandis que l'hélice effective (na) et l'hélice totale (n) sont le nombre de bobines qui stockent et libèrent de l'énergie mécanique, et le nombre de bobines de bus ( au moins deux sont dédiés à l'extrémité/base du ressort). Un autre attribut morphologique important est le sens de rotation, qui peut être à gauche ou à droite.
La force exercée par un ressort est proportionnelle à son allongement, une loi proposée par Robert Hooke en 1676, quelques années seulement après l'application du premier ressort. Hooke a présenté cette formule au monde. "F=- kx", où F est la force du ressort, x est la distance d'étirement et k est la constante du ressort. Chaque ressort est différent et déterminé par le fabricant à travers des expériences ou par l'utilisateur à travers des formules. K=Gd4/[83dna]. Comme mentionné précédemment, les bobines cylindriques et coniques sont des ressorts non linéaires, donc la loi de Hooke ne s'applique pas à eux. La loi de Hooke ne s'applique pas aux ressorts qui se sont déjà déformés ou ont dépassé la limite élastique générale.
La force d'un ressort entièrement comprimé
Pour calculer la force du ressort complètement comprimé, nous pouvons utiliser cette formule. Fmax=Ed4 (L-nd)/[16 (1)+ ν) (Dd) 3n]. E est le module d'Young, d est le diamètre du fil d'acier, L est la longueur libre et n est le nombre d'hélices/bobines effectives, ν c'est le coefficient de Poisson et D est le diamètre extérieur. Il est évident que certains d’entre eux sont déterminés par l’acier choisi par le concepteur, tandis que d’autres sont déterminés par la forme, la forme et la taille du ressort.
Considérations sur la conception
Lors de la conception d’un ressort de compression, la première chose à décider est le matériau que vous souhaitez utiliser. Recherchez ensuite le module de cisaillement (G) et la résistance à la traction (TS) dans le tableau de données. Ces deux facteurs sont cruciaux pour déterminer le pourcentage de contrainte, par exemple lors du calcul des exigences de charge (100* σ/ Calculez le degré de compression du ressort lorsqu'une certaine charge est induite, en fonction de la résistance à la traction.
Une autre considération importante est le diamètre du ressort lorsqu’il est comprimé jusqu’à son point maximum. Les ressorts de compression en spirale ont tendance à augmenter de diamètre lors de la compression. Il est donc important de calculer cette expansion à l'aide de la formule "expansion={sz [(Dd) 2+(p2-d2/π 2)+d] - D}".
L'indice du ressort est important et les concepteurs tentent de le maintenir dans une plage de 4 à 10. Sa méthode de calcul est "C=(Dd/d)", ce qui donne une bonne idée du rapport entre le fil et le fil. épaisseur au diamètre du ressort. Cela déterminera la résistance globale du ressort (plus petit est plus fort, mais plus grand est plus facile à comprimer).
