Les ressorts de torsion sont des ressorts avec un enroulement hélicoïdal auquel on peut rajouter des branches. Nous pouvons les retrouver soit en enroulement droite, ou bien en enroulement gauche. Ce type de ressort, lors de sa mise en mouvement, va exercer un couple sur une rotation autour de son axe d’enroulement.
Ce type de ressort est bien souvent monté sur un axe positionné au centre de l’enroulement, maintenant le ressort en place.
Comme pour les ressorts de traction et les ressorts de compression, nous allons aborder ici les différents éléments et choses à savoir afin de calculer un ressort de torsion.

Comme vu pour le calcul du ressort de compression ainsi que pour le calcul du ressort de traction, il existe plusieurs paramètres identiques pour le calcul d’un ressort de torsion sur mesure. On retrouve :

– Le diamètre de fil (d)
– Le diamètre moyen de l’enroulement (D) (D = DE-d)
– Nombre de spires du corps du ressort (n)

Ainsi que
– La longueur des pattes poursuivant de part et d’autre l’enroulement
– Le pas (possible espacement entre les spires)
– L’enroulement (à droite ou à gauche)
Concernant l’enroulement (w) du ressort de torsion, il est possible afin d’éviter les frictions dans le corps du ressort d’ajouter un pas entre les spires. Néanmoins, un pas trop petit par rapport à un diamètre de fil ne pourra pas sortir de production. On peut considérer qu’en fonction du rapport d’enroulement, on devra s’en tenir à :

Pour augmenter la force d’un ressort de torsion, il faudra envisager d’augmenter le diamètre de fil, ainsi que de diminuer le nombre de spires et le diamètre d’enroulement.

Les extrémités des branches n’ont de limite que votre imagination en fonction de votre besoin, dans la limite des capacités de production. Toutefois, il est possible de distinguer cinq types de cambrages différents à la sortie du corps du ressort :

A partir de ces cinq cas, le fabricant de ressort de torsion pourra en fonction de votre plan y ajouter des cambrages, afin de répondre à vos contraintes.
Afin de garder vos pièces à un prix acceptable, une règle simple pour le cambrage de vos branches est de considérer cette relation simple : la valeur du rayon interne du cambrage de la branche = diamètre du fil cambré. D’autres valeurs pour le rayon sont possibles, mais potentiellement plus complexe à réaliser. Attention, un rayon trop petit par rapport au diamètre de fil pourra provoquer une fragilité sur l’extérieur du cambrage. Des fissures, à la suite d’un étirement trop intense de la matière, se formeront.

Après avoir défini votre besoin avec le tableau ci-dessus, vient la question du besoin de réponse du ressort. Intégrons la notion de position libre. Il s’agit de l’angle entre les branches du ressort de torsion lorsque celui-ci ne subit aucune contrainte. Prenons l’exemple d’un ressort de torsion avec deux branches tangentielles :

Sur cette figure, la position libre du ressort est visible lorsque sa charge est nulle. Quand des contraintes sont appliquées sur la branche, deux angles de travail (α1, α2) équivalents à la position 1 et 2 de la branche se dessinent. Ce sont deux positions de travail. La position pour α1 peut souvent s’apparenter à la position du ressort en précontrainte.
Chacune de ces positions développent des couples spécifiques (appelés moments et exprimés en N.mm), et calculé grâce à la raideur et à l’angle de travail.

Afin de calculer la raideur d’un ressort de torsion, d’autres valeurs doivent être prises en compte. Le type d’extrémité utilisé pour le ressort influera sur les valeurs de charges obtenues. La flexion des branches influera la charge légèrement à la baisse. A contrario, plus le point d’appui appliqué sur la branche sera éloigné de l’enroulement du ressort, plus le bras de levier sera important et par conséquent plus la charge sera importante.

Du calcul à la fabrication des ressorts de torsion sur mesure, la matière à utiliser est un élément important à ne pas négliger. Comme pour les ressorts de compression et de traction, l’acier inoxydable sera à privilégier dans les environnements humides. L’acier ressort sera utilisé dans un environnement sec, mais aura plus de force que l’inox. Pour des situations où la seule alternative à utiliser ne peut être qu’un acier corde à piano, il faudra prévoir un revêtement de protection (type zingage) afin de prolonger la durée de vie du ressort.
Sur le corps du ressort, le frottement entre les spires est problématique avec certaines géométries provoquant un retour à la position libre plus complexe. Afin de les supprimer, un pas peut être appliqué au ressort et ainsi retrouver une constance dans les angles de travail.

Pour aller plus loin :

• http://www.meca.insa-toulouse.fr/~paredes/Ressorts/index.php

C’est à cette question que nous allons répondre au fil de cet article, afin de vous guider et de mettre en lumière les paramètres essentiels à la mise au point d’un ressort répondant à vos attentes et surtout à vos contraintes.

Comme vu pour le calcul du ressort de compression, nous retrouvons plusieurs paramètres en commun pour le calcul du dimensionnement d’un ressort de traction :

•  Le diamètre de fil (d)
• Le diamètre moyen de l’enroulement (D)
• Nombre de spires du corps du ressort (n)
• Types d’anneaux
  • Anglais
  • Allemands
  • Allongés
  • Latéraux
  • Crochets
  • Diamètre de l’anneau différent de celui de l’enroulement
  • Forme adaptée à votre besoin d’accroche (sur demande et/ou plan)

Les anneaux, dans le ressort, sont la partie étant le plus à même de subir une déformation ou une rupture. Il est donc nécessaire de bien les définir afin de maximiser le nombre de cycle de votre ensemble sans maintenance.

Comme pour les ressorts de compression, la raideur dépend des mêmes variables :

• Le module de cisaillement (G)
• Le diamètre de fil (d)
• Le diamètre moyen (D)
• Le nombre de spire utile (sur le corps du ressort) (n)

A cette raideur, va s’ajouter la tension initiale du ressort d’extension qui définira la force du ressort d’extension, en fonction de la flèche appliquée au ressort (s).

La tension initiale est une donnée qui n’est pas commune avec le ressort de compression. Cette tension dans le corps du ressort d’extension provient de la différence entre le pas réglé sur la machine enroulant le ressort et le diamètre du fil enroulé. Afin de l’obtenir, le fil est contraint par les doigts d’enroulements, de telle sorte que les spires sortant au fur et à mesure vont être rapprochées.

Afin de déterminer sur quel type de sollicitation votre ressort évolue, il faut tenir compte de plusieurs points :

• La sollicitation est-elle constante dans le temps ?
• Y a-t-il des amplitudes de contrainte négligeable ?
• Combien de cycle le ressort supporte avant rupture ?

Pour un ressort travaillant en statique, la sollicitation doit être constante dans le temps, avec peu d’amplitude, et un nombre de cycles avant rupture inférieur (de l’ordre de 10⁴).

Pour un ressort travaillant en dynamique, les paramètres sont donc une sollicitation variable dans le temps, avec beaucoup d’amplitudes de contrainte de cisaillement et un nombre de cycles avant rupture supérieur à 10⁴.
L’élaboration d’un diagramme de Goodman est un bon moyen de valider théoriquement une durée de vie escomptée pour un ressort. Pour ce point, un fabricant de ressort sur-mesure est supposé avoir la capacité de vous aider.

En fonction des conditions d’utilisations, le choix de la matière constituant le ressort de traction va être différente.
Dans un milieu alimentaire, l’usage d’un acier inoxydable est souvent requis. En fonction des produits de nettoyages utilisés, certaines nuances seront à privilégier. Globalement tous les environnements humides nécessiteront une autre alternative que l’acier ressort brut.
L’acier ressort brut (de type EN 10270-1) s’utilisera quant à lui dans un milieu sec ou huileux (par exemple en application dans des machines-outils et/ou hydrauliques).
D’autres applications plus techniques nécessiteront des matières plus spécifiques (et souvent plus onéreuses), telles que du Nimonic® 90, des Inconel®, PHYNOX®, 17-7 PH, DM, DH…

La température d’environnement de travail du ressort de traction va aussi être un facteur déterminant dans la matière à privilégier. Un acier ressort travaille dans des températures inférieures à 150°C, alors qu’un inox pourra monter à des températures supérieures allant jusqu’à 250°C dans certains cas.
Quand la température augmente, la limite élastique augmente (pour une plage de température acceptable pour la matière, il faut éviter de dépasser les 200 – 250°C). Si cette température est dépassée, alors il y aura une perte de la valeur d’élasticité et de rigidité. Ces valeurs vont se rééquilibrer, ce qu’on peut nommer la relaxation. Il est donc important de le notifier lors du calcul de votre ressort.
Attention ! Parfois le ressort de traction lors de son installation dans l’assemblage est étiré au-dessus de son maximum admissible sans déformation (limite élastique). Il ne faut donc pas oublier toutes les contraintes annexes au cycle d’utilisation normal pour en préserver un fonctionnement optimal.

Pour aller plus loin :

• https://www.ist.org.uk/post/designing-your-first-extension-spring
• https://www.boutique.afnor.org/fr-fr/norme/nf-en-139062/ressorts-helicoidaux-cylindriques-fabriques-a-partir-de-fils-ronds-et-de-ba/fa177456/41946

Le calcul de la force d’un ressort (en Newton) est le produit de sa course F en mm par sa constante k (ou raideur) en N/mm. Le diamètre du fil, le nombre de spires et 5 autres critères influent donc sur ce résultat.

Voici la liste des 7 éléments à prendre en compte pour caractériser un ressort de compression droit :

• Le diamètre de fil (d)
• Le diamètre moyen de l’enroulement (D)
• Le nombre de spire total (nt) (ou le nombre de spire actives (n))
• Le pas du ressort
• La longueur libre (L0)
• Le choix de la matière
• Le type d’extrémités

Le nombre de spire active (n) correspond au nombre de spire totale (nt) auquel on retire le nombre de spire mortes. Les spires mortes correspondent aux spires aux extrémités (qui peuvent parfois être meulées).

Le Rapport d’enroulement

Le rapport d’enroulement d’un ressort est aussi un paramètre à vérifier pour la réalisation d’un ressort hélicoïdale droit. D’après la norme EN 13906-1, il doit être compris entre 4 et 20 pour de l’enroulement à froid (avec une préférence en 7 et 14) :

• En dessous de 4, l’enroulement du ressort sera trop serré et peut avoir des zones de faiblesses / fragilité sur l’intérieur de l’enroulement.
• Au-dessus de 20, le ressort sera compliqué à mettre en forme et les charge seront plus dures à tenir.

Nota : les ressorts de compression peuvent évidemment sortir de cette fourchette, mais nous ne pourrons pas en certifier un bon fonctionnement.

De ces paramètres en est déduit une raideur (k, en N/mm), ainsi que la plage d’utilisation optimale du ressort de compression. Cette raideur se trouve via l’équation suivante :

G est le module de cisaillement. Il correspond à la déformation propre à chaque matériau face à un effort de cisaillement. Il s’exprime en Mégapascal (MPa) ou bien en Newton par millimètre carrés (N/mm²).

Ce module est donc différent en fonction des matières constituant le ressort. Par exemple, pour un acier de la norme EN 10270-1, G = 81500 MPa (soit 81500 N/mm²), pour un inox de la norme EN 10270-3 (du type inox 302), G = 73000 MPa, et 79000 MPa pour un inox Duplex…

La charge d’un ressort correspond à la force qu’a le ressort pour une hauteur donnée. Il faut donc multiplier la raideur du ressort par la flèche d’utilisation afin de la trouver.

Grâce à l’utilisation de logiciels de calculs, nous pouvons alors déterminer les charges P1 (en Newton) pour une longueur L1 exprimée en millimètre et pour une flèche de travail F1 (mm), P2 pour une longueur L2 et une flèche F2, … et ainsi de suite en fonction du nombre de points de charge que vous souhaitez atteindre.
Si votre plan précise une ou plusieurs charges, les ressorts, lors de leurs fabrications, passent un test de charge aux hauteurs souhaitées afin de vérifier que les charges obtenues sont celles attendues.

La variation des dimensions entre chaque ressort d’une série est réglementée entre autres par la norme EN 15800, possédant 3 grades de qualité possibles. Ce choix de grade jouera – sur le prix du ressort – mais surtout sur l’unicité des charges du batch de votre besoin.

Vous souhaitez en savoir plus sur nos ressorts de compression ? Découvrez notre page sur la fabrication du ressort de compression sur-mesure.

Quel est l’objectif d’un ressort ? Commencer cet article par une question n’est pas commun. Pourtant, c’est la première chose à faire lorsque l’on parle de matériaux ressorts. On peut le définir comme 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.

Qu’il soit issu d’une fabrication sur mesure ou non, qu’il soit petit, grand, de traction, de compression, de torsion, etc, l’objectif sera toujours le même. Les choix de matériaux possibles sont plutôt vastes mais il y a quelques éléments à connaître à ce propos.

Pour être efficace les matériaux ressorts doivent avoir des propriétés élastiques ce qui permettra à la pièce de produire un mouvement sans être défaillant. Tous les matériaux dits « ressort » n’ont pas forcément la même élasticité. Cette propriété permet à la pièce de ne pas subir une déformation plastique sous une faible contrainte.

Enfin, nous pourrons également évoquer de façon plus générale l’environnement de travail attendu d’un ressort. En effet, notons par exemple que la température ambiante dans laquelle le ressort devra œuvrer est primordiale. Les matériaux sont conçus pour travail dans des plages de températures plus ou moins étendues.

Également, certains concepteurs définissent leurs ressorts de sorte à ce qu’il remplisse plusieurs fonctions. Notons ici que certains matériaux ayant des propriétés élastiques intéressantes, sont aussi de bons conducteurs électriques. Ces matériaux ne seront pas traité dans cet article.

Appréhender l’ensemble de ces paramètres est essentiel dès la conception. Sans quoi, cela peut directement être l’une sinon LA cause de défaillance. Notons que l’acier brut ou Galva et l’inox ressorts remplissent bon nombre de ces points, pour des niveaux de prix assez raisonnables. C’est pourquoi ils sont souvent privilégiés.

La première famille d’aciers de la norme EN 10270 que nous allons voire est l’acier non allié, tréfilé à froid et patenté. Lors du tréfilage, la matière subit un écrouissage qui augmente sa résistance mécanique.

Le patentage quant à lui est un traitement thermique qui vise à créer ou récréer une structure perlitique. Cela permet une meilleure aptitude à la déformation à froid et donc au tréfilage à froid.

Pour cette catégorie d’acier, les matériaux sont repartis en 5 classes :

• SL = Faible résistance à un régime statique. Appliqué aux ressorts de compression, traction ou torsion soumis à une tension statique basse. Cet acier à une résistance mécanique basse.
• SM = Résistance moyenne à un régime statique. Appliqué aux ressorts de compression, traction ou torsion soumis à une tension statique moyenne ou qui peuvent être amenés à travailler rarement en dynamique. Cet acier à une résistnace mécanique moyenne.
• SH = Haute résistance à un régime statique avec une résistance mécanique élevée. Appliqué aux ressorts de compression, traction ou torsion soumis à une tension statique haute ou qui travaillent légèrement en dynamique.

 

Les aciers dit « S » sont principalement destiné à des sollicitations statique.

• DM = Résistance moyenne à un régime dynamique. Appliqué aux ressorts de compression, traction ou torsion soumis à des tensions dynamiques moyennes jusqu’à hautes.
• DH = Haute résistance à un régime dynamique. Appliqué aux ressorts de compression, traction ou torsion soumis à une tension statique élevée ou à un travail en dynamique moyen.
  Il semblerait qu’actuellement, seul les fils DM et DH soient patentés. Les fils SL, SM et SH seraient bruts de tréfilage à chaud et refroidissement Stelmor. Cela signifie que c’est un refroidissement en continu du fil machine.

La différence entre les aciers dit « S » et « D » est lié à une meilleure qualité de surface garantie. Notamment par rapport à la taille des défauts et épaisseur de décarburation limité ou même interdite pour les aciers « D »

Un ressort fabriqué avec un matériau de cette famille peut travailler à des températures très basses mais subit une relaxation à haute température. On considère qu’il est en pleine capacité entre -80° et +150° C.

Le deuxième acier est l’acier trempé à l’huile et revenu. Appelé EN 10270-2, cet acier est plutôt similaire à l’acier EN 10270-1, à la différence près qu’il subit une trempe. En effet les aciers EN 10270-1 sont durcit par écrouissage tandis que les aciers EN 10270-2 sont durcit par trempe. Cette trempe permet à l’acier d’avoir une meilleure résistance mécanique. Également, ce matériau possède très peu d’impuretés.

Là encore il y a plusieurs classes d’acier EN 10270-2, on peut en compter 3 :

• FD (FederstahlDrähte) : Acier tréfilé pour ressorts.
• VD (VentilferstahlDrähte) : Fil d’acier pour ressorts de soupape.
• TD (TransmissionDräthe) : Fil d’acier pour ressorts d’embrayage.

Les fils VD et TD résistent mieux à la fatigue. On peut ajouter ensuite à cet alliage du Carbone (C), Chrome (Cr), Vanadium (V), Silicium (Si), Manganèse (Mn), Phosphore (P), Soufre (S) ou Cuivre (Cu). Ces différentes compositions vont permettre d’avoir des variantes de ces 3 classes.

On peut considérer que le domaine d’utilisation d’un ressort fabriqué avec un acier trempé à l’huile et revenu est adapté pour des températures de -20° à + 170° C.

L’acier inoxydable couramment appelé INOX, est un alliage à base de fer. Il est composé de moins d’1.2% de Carbone et plus de 10,5% de Chrome. C’est cette composition chimique au-delà de 10,5% de Chrome qui provoque une couche superficielle appelé oxyde de Chrome qui le rend inoxydable.

On compte 6 classes d’aciers inoxydables :

• 302
• 304
• 316
• 17.7 PH (« Precipitation Hardenning » ou en français « Durcissement par Précipitation »)
• 904L –> Le suffixe « L » signifie « Low Carbone.
• Duplex
  Ces désignations sont les désignations US sauf pour le Duplex. Son nom signifie qu’il a deux phases dans sa structure, ferrite et austénite.

Par exemple pour l’acier 302, la désignation européenne est X10CrNi18-8 = 1.4310

L’acier ressort inoxydable le plus couramment utilisé est l’INOX 302. Ce qui distingue ces 6 classes d’inox c’est la composition chimique du matériau. Cela joue sur leurs capacités à résister à la chaleur ou à la fatigue suivant qu’il s’agisse d’un travail en statique ou en dynamique.

Les prix eux aussi varient en fonction de la composition de la matière. L’inox 304 est le moins cher tandis que les plus chers sont le Duplex et le 904L.

Le module d’élasticité et le module de torsion de l’acier inoxydable sont en général plus faibles que ceux des aciers EN 10270-1 et EN 10270-2. L’acier Duplex est le matériau qui fourni les caractéristiques les plus proches des deux premières classes d’aciers avec presque les mêmes valeurs pour les deux modules. Un bénéfice à confronter néanmoins à son prix beaucoup plus élevé.

La plupart de ces matériaux ressorts peuvent travailler entre -200° jusqu’à 250° voire 300° C pour l’inox 17.7 PH, l’inox 904L et le duplex.

Les matériaux ressorts utilisés pour la réalisation sont nombreux. Avec ce bref aperçu de la norme EN 10270, vous connaissez ainsi ceux qui sont couramment utilisés ainsi que certaines des variantes possibles au sein de chaque famille. Notez que davantage de nuances existent et que tout fabricant de ressorts sur mesure ou spécifiques est à même d’accompagner au choix de matériau le plus judicieux.

Que l’on veuille un ressort compression, traction ou torsion, il y a des critères indispensables à prendre en compte lors de la fabrication de ressorts sur mesure, aussi appelé ressorts sépciaux. Chaque famille de ressorts à des propriétés bien spécifique. Les missions varient en fonction de l’utilisation de chacune des familles, donc les caractéristiques pour la fabrication varient aussi.

Certaines données sont indispensables pour fabriquer une pièce qui réponde aux exigences du client. Parfois, les clients trouvent la pièce qu’ils veulent chez un cataloguiste. Dans d’autres cas ils vont faire appel à la fabrication sur mesure. Il arrive alors qu’ils n’aient pas toutes les infos sur les ressorts qu’ils demandent, c’est pourquoi un chargé d’études est souvent là pour les accompagner. Dans ce dernier en cas, soit le ressortier part d’un plan avec les données nécessaire à la réalisation, soit il réalise un plan à partir de valeurs de l’environnement du ressort avec une charge à obtenir (diamètre de l’axe, diamètre de l’alésage, force (P1) pour une course donnée (F1) et / ou de la nature du milieu (hautes températures, corrosif…)

Commençons par le plus commun des ressorts, celui que l’on a l’habitude de voir le plus souvent, le ressort de compression. La première chose à savoir est que pour la fabrication de ressorts sur mesure, tous les éléments que nous allons voir ne sont pas forcément nécessaire pour l’élaboration d’un plan. Par exemple, grâce au diamètre extérieur (De) et au diamètre intérieur (Di), nous pouvons calculer le diamètre de fil (d) avec un calcul simple. Il suffit de soustraire le diamètre intérieur (Di) au diamètre extérieur (De) et de divisé le résultat par deux.

Le ressort de compression peut avoir plusieurs types d’extrémités, on en compte 4. Le premier type sont les extrémités rapprochées meulées (ERM), c’est à dire que la dernière spire de chaque cotés est en contact avec celle qui la précède de plus elles sont meulées. Basés sur les mêmes caractéristiques, les 3 autres types d’extrémités sont les extrémités non rapprochées meulées (ENRM), les extrémités rapprochées non meulées (ERNM) et les extrémités non rapprochées non meulées (ENRNM). Il est également indispensable de savoir quel sens d’enroulement doit avoir le ressort, gauche ou droit et en quelle matière la pièce doit être réalisée.

Enfin les dernières informations qui vont rentrer en compte dans la confection d’un ressort de compression sur mesure, sont des caractéristiques concernant la force exercée sur la pièce. Nous allons retrouver la raideur, qui correspond à la résistance du ressort. On appelle cette résistance, résistance à la traction, soit la progression de l’effort par millimètre de traction. Elle est exprimée en N/mm (Newton par millimètre). Maintenant reprenons notre longueur libre (L0). Pour avoir la force du ressort il faut trouver la longueur L1 qui est la longueur du ressort sous la charge P1. Par le fait, P1 est la force exercée (en Newton) pour que le ressort arrive à sa longueur L1. Avec ce procédé nous pouvons trouver la longueur L2 et la charge P2. C’est donc grâce ces données que l’on peut déterminer la raideur.

Nous allons désormais voir les ressorts de traction. On va remarquer qu’il y a des paramètres similaires mais aussi des différences au vu de l’utilisation que l’on va en faire. Pour commencer, sur le ressort de traction les extrémités sont bien différentes puisque ce sont des boucles. Cette information fait ressortir trois données. La première est évidemment le type d’anneaux. Les plus utilisés sont les anneaux anglais et allemand. Du fait de ces anneaux, deux caractéristiques différentes du ressort de compression vont rentrer en compte. Tout d’abord, la longueur du corps (Lc), qui est la longueur sans prendre en compte les anneaux. Puis, la longueur totale (Lt) où nous allons mesurer la longueur entre les extrémités des boucles.

La notion de pas va être beaucoup moins utilisée pour les ressorts de traction car il vise à être étiré et bien souvent au repos les spires du ressort de traction sont jointives. Il est donc possible de calculer la longueur du corps (Lc) en étudiant le diamètre de fil (d) qui lui est une constante dans la fabrication d’un ressort et le nombre de spire du corps (nc).

En ce qui concerne la raideur du ressort de traction, le principe reste le même que pour le ressort de compression. La longueur L1 est la longueur que va avoir le ressort sous la charge P1. La longueur L2 elle, va être la longueur atteinte par le ressort de traction sous la charge P2 ce qui définit la raideur en mesurée N/mm.

Pour finir, nous allons parler des ressorts de torsion. Il y a de nouveau des paramètres similaires entre le ressort de torsion et les deux autres. Cependant, ce dernier est plus complexe à fabriquer. En effet, son fonctionnement est un peu différent, les données vont alors elles aussi varier.

D’abord, les données communes entre le ressort de torsion et les ressorts de compression et traction. Vous commencez à le comprendre le diamètre de fil (d), le diamètre intérieur (Di), le diamètre extérieur (De), la matière et le sens d’enroulement, sont la base commune aux trois familles. Nous allons également retrouver la notion de longueur de corps (Lc) qui est la longueur de l’enroulement entre les deux branches. La longueur de corps (Lc) peut être calculée comme pour le ressort de traction, grâce au diamètre de fil (d) ainsi qu’au nombre de spires (nt).

Le ressort de torsion ne travaille pas en force de traction comme le ressort de compression ou de traction, c’est bien différent. En général, il est doté de branches sur lesquelles on exerce une pression pour faire travailler la pièce. Les caractéristiques dû à ces branches vont être la longueur, l’angle des branches au repos ainsi que l’angle de rotation sous charge P1. Cette dernière donnée va permettre de définir la force du ressort. Pour les resort de torsion, la raideur est le couple du ressort (N.mm) en fonction d’un angle (°). Elle s’exprime alors en N.mm / °.

Toutes ces informations sont des données importantes pour la fabrication de ressorts sur mesure en fils. Pour le fil formé, la fabrication ne va se faire presque exclusivement qu’à partir d’un plan. Pour les ressorts hélicoïdaux, nous avons vu qu’avec seulement certaines données, nous pouvons en faire découler d’autres. Il est important que ces données soient cohérentes entre elles pour éviter une fragilisation du ressort trop rapide.

Vous avez maintenant les premiers éléments en main pour avancer sur la réalisation d’un plan de votre pièce.

Comme vous le savez certainement déjà, un ressort travaille de plusieurs façons suivant sa famille. En compression, en traction, en torsion. Il peut également être sollicité en flexion avec des ressorts plats par exemple. De plus, nous pouvons le voir travailler en statique. C’est à dire que le ressort est soumis à un effort constant qui ne varie pas. Dans ces cas-là, il faut éviter la relaxation et l’avachissement. Il peut également travailler en fatigue. Dans ce cas, il revient dans sa position initiale après avoir travaillé. Au travers de cet article, essayons de comprendre les différents aspects de la fragilisation d’un ressort.

Les autres causes de fragilisation d’un ressort sont moins courante. Tel que la corrosion qui en soit, n’est pas une contrainte si c’est le traitement de surface qui commence à être corrodé. Le zinc par exemple, qui est le traitement de surface le plus utilisé pour les ressorts, permet justement d’empêcher cette corrosion car c’est un revêtement anodique. Le problème arrive quand c’est le métal du ressort qui commence à être attaqué, la corrosion affecte alors fortement le ressort et les chances de casse de la pièce sont alors plus élevées.

Le troisième point que nous allons aborder est le procédé de fabrication. Il est vrai que la fragilisation de la pièce peut également avoir lieu à cause d’un défaut de fabrication, parce qu’une pièce est mal adaptée à son environnement et c’est là que le savoir-faire rentre en compte… Par exemple, si un ressort de compression répète un mauvais mouvement comme une compression à bloc, c’est à dire avec les spires jointives. Cela va accélérer sa fragilisation. Le ressort peut aussi être fragilisé par une mauvaise application d’un traitement de surface. On appel ce phénomène, fragilisation par l’hydrogène. On rencontre ce phénomène dans tous les cas où l’hydrogène peut se développer. Le résultat de ce phénomène sur le ressort est que l’acier a une résistance beaucoup plus basse que la normale et donc se casse plus facilement.

Dans cette partie nous allons voir les deux grands types de rupture que l’on rencontre lors d’une casse de ressort. Tout d’abord, commençons par détailler les différentes zones par lesquelles passent la pièce.

La première zone est appelée « zone élastique », c’est la capacité du matériau ressort à retrouver sa forme d’origine après une déformation. Une fois au bout de cette zone, on arrive au maximum de la résistance élastique du matériau (Re), on entre alors dans la zone plastique. On atteint le domaine plastique quand la pièce subit une déformation irréversible, c’est-à-dire que le ressort ne reprend pas sa position initiale quand on arrête d’y exercer une force. Cela est dû à un réaménagement de la position relative des atomes. Pour le ressort de traction par exemple. Si nous l’étendons au-delà de son domaine élastique, il ne reviendra pas à sa forme initiale.

Reprenons maintenant après le zone plastique, nous arrivons sur la zone d’écrouissage. Après une déformation plastique le métal se durci et c’est ce durcissement que l’on appelle l’écrouissage. Sur certains schémas, cette phase n’est pas représentée car elle peut aussi être intégrée à la zone plastique. Ce phénomène ne s’applique pas aux métaux dit fragiles. Pour voir un exemple concret de ce que l’écrouissage, nous pouvons faire le test du fil de fer. Il s’agit de prendre un fil de fer, de le tordre puis d’essayer de le remettre parfaitement à plat. C’est impossible, la zone pliée formera une petite bosse, c’est à cause du phénomène d’écrouissage.

Enfin la dernière zone est la zone de striction, c’est la zone où le matériau de la pièce commence à être attaqué, qu’il commence à être fortement endommagé. En effet, c’est entre la zone d’écrouissage et la zone de striction que le métal atteint sa résistance mécanique maximum (Rm).

On arrive à définir ces différentes zones de travail grâce au test à l’essai traction. C’est une expérience qui permet deux choses, la première est de déterminer le comportent élastique d’un matériau et la seconde de mesurer son degré de résistance à la rupture. Cela uniquement dans un état de contrainte uni axial. C’est-à-dire que la pièce est sollicitée uniformément dans toute la section en compression ou traction, la propagation de la fissure est donc perpendiculaire à l’axe des sollicitations Lorsque le ressort est sollicité en torsion l’amorce est dans le sens axial et la propagation de la fissure se fait à 45°.

Lorsqu’un ressort casse, la première chose à faire est de réaliser une enquête sur les circonstances de la défaillance, les conditions d’utilisation de la pièce, les incidents antérieurs, le matériau, en bref autant d’informations possible qui puissent donner des indications sur les causes de la casse. L’analyse de la défaillance d’une pièce cassée est très important, cela est un vecteur de progrès. Grace à cette démarche il est possible de tirer profit d’une défaillance et d’améliorer par la suite la qualité produit.

Ensuite, il faut réaliser une analyse morphologique du ressort. Cette étude permet de classer la défaillance, définir quels sont les facteurs de détérioration de la pièce et comment la pièce a été sollicitée durant sa vie. Cela peut nous permettre également de remonter jusqu’à l’amorce en cas de rupture puis d’orienter des examens complémentaires si besoin. Cette étude peut être faite à la loupe, mais bien souvent un simple examen visuel suffit.

Enfin, si cela est nécessaire des examens complémentaires sont réalisés en laboratoire pour confirmer les causes d’amorçage et les modes de propagations.

Vous avez désormais quelques explications concernant le phénomène de casse ou de fragilisation d’un ressort. Bien qu’il existe une multitude de raisons de fragiliser son ressort, nous avons dégrossi ensemble ce phénomène, ses potentiels causes et comment l’expliquer.

Les traitements de surface pour les ressorts ont pour objectifs principaux de modifier leurs propriétés. Comme améliorer la résistance à la corrosion simple ou sous contraintes, améliorer la résistance à la fatigue, améliorer la résistance à l’usure et/ou améliorer l’aspect esthétique. Les fabricants de ressorts sur mesure ne réalisent presque jamais le traitement de surface eux même. C’est un travail de spécialiste avec une réglementation très stricte aux vues des risques que cela engendre. Nous allons alors décrypter les différentes caractéristiques des traitements de surface utilisés dans le domaine du ressort.

Il faut savoir que chaque traitement de surface est soumis au test Brouillard Salin (BS), qui permet d’évaluer la résistance à la corrosion. Ce test nous donne une idée du nombre d’heures que peut résister la pièce avec traitements de surface dans un environnement humide et salé avant corrosion. Il y a alors deux types de corrosion, la rouille blanche qui apparaît lorsque le traitement de surface est attaqué et la rouille rouge quand c’est le métal de la pièce qui commence à être attaqué.

Il est aussi parfois possible que le fil soit zingué pré-galvanisé. La galvanisation est le fait de recouvrir une pièce de zinc pour éviter la corrosion. Ce terme désigne essentiellement le procédé de « galvanisation à chaud trempé ». Le principe est de plonger la pièce dans un bain de zinc en fusion à 450° C. Ce qui fait une différence avec le zingage classique qui lui est un bain avec des ions de zinc qui viennent s’accrocher à la pièce.

Un autre type de zingage, c’est le zingage lamellaire. Il procure au ressort une haute résistance à la corrosion. Il est chargé en zinc et en aluminium. La méthode utilisée pour le zingage lamellaire est la centrifugation ou la pulvérisation. L’application se fait de plusieurs couches de base (Base Coat) et une couche de finition si besoins (Top Coat). Cette couche de finition permet un meilleur coefficient aux frottements et améliore la tenue à la corrosion. De plus ce procédé ne fragilise par la pièce car il n’est ni par dépôt électrolytique, ni avec de l’acide.

Aussi utilisé dans le monde du ressort, le polissage électrolytique ou électro polissage. Principalement pour l’inox, la procédure consiste à enlever de la matière. La pièce est plongée dans un bain d’acide fortement concentré (électrolytique) où l’on applique un courant électrique. En fonction de l’intensité du courant à travers la surface, le processus d’électrochimie produit une dissolution plus ou moins importante. Ce traitement de surface a pour avantages, l’éliminations des impuretés, la résistance à la corrosion plus élevée, empêche l’adhésion de dépôt et supprime la couche de BELIBY (rugosité due aux stries d’usinage). En revanche lors de cette opération, il faut prévoir une perte d’épaisseur, généralement entre 5 et 10 µm. Il est possible de retirer des épaisseurs plus importantes allant jusqu’à 50 µm. Le processus est compliqué à mettre en place pour régler le niveau de l’intensité du courant, la température du bain et la durée du traitement.

En ce qui concerne les traitements de surface physique, il y a la tribofinition. Aussi bien utilisée pour l’acier que pour l’inox, le principe est de nettoyer la pièce pour ôter la couche de calamine grâce à un mélange d’abrasifs. Ce procédé est utilisé pour des pièces nécessitant une propreté parfaite. La pièce est mise dans un mélange d’abrasif nommé « média », ressemblant à des petites pierres. Ce mélange est ensuite mis en mouvement vibratoire, oscillatoire ou rotatif dans une cuve ouverte ou fermée. Le résultat obtenu est dû aux frottements entre le mélange et la pièce. Il dépend également du type d’équipement utilisé, de la composition du mélange, de la vitesse et la durée de l’opération.

Lorsque l’on parle de traitement de surface pour les ressorts, c’est le zingage qui est le plus utilisé comme nous l’avons vu un peu plus tôt. Cependant, on retrouve un traitement de surface qui se rapproche du zingage, c’est le nickelage. L’alliage nickel/phosphore est obtenu par la réduction catalytique d’un sel de nickel. Ce traitement est suivi d’un dégazage.

Le dégazage est un principe qui vise la déshydrogénation d’une pièce ayant été abîmée par l’hydrogène. Souvent appliqué aux pièces qui subissent un traitement électrolytique, il doit être effectué dans les 4 heures après l’application du traitement de surface et de préférence dans l’heure qui suit.

Suivant les applications de la pièce, des traitements thermiques peuvent durcir la couche (de 600 à plus de 850 HV). D’aspect brillant, la pièce ne nécessite pas de polissage après le nickelage, il est donc souvent utilisé pour l’esthétique. Utilisé principalement sur l’acier, n’oublions pas qu’il offre également une protection contre la corrosion et de bonnes propriétés de glissements.

Il existe 3 types de nickel (sans traitement thermique) :

• Bas phosphore (1 à 4%) : a une forte dureté en sortie de bain (700 à750 HV). Tenue au Brouillard Salin de 200 heures.
• Moyen phosphore (5 à 9%) : offre une meilleure résistance à l’usure et de l’homogénéité, de l’épaisseur mais est moins dur (500 à 550 HV). Tenue au Brouillard Salin de 200 heures.
• Haut phosphore (≥10%) : offre une résistance élevée à la corrosion, c’est un compromis entre les deux types précédents (500 à 550HV). Tenue au Brouillard Salin jusqu’à 1000 heures.

Avant le dépôt de nickel, une préparation de surface doit effectuée, c’est le dégraissage et le décapage, puis rincée après. C’est une opération qui est vrai pour tous les traitements de surface

Pour les traitements de surface peinture, il y en a 2 types. La cataphorèse, dont le principe est d’immerger la pièce dans un bain de peinture hydrosoluble. Le but est ensuite de faire migrer les particules de peinture vers la pièce au moyen d’un courant électrique de l’anode vers la cathode. Les particules se déposent alors uniformément sur la pièce immergée.

Le dernier que nous allons aborder, n’est pas une peinture mais un huilage. Ce traitement de surface propose à la pièce de très bonnes propriétés de glissement ainsi qu’une réduction des frottements. L’huilage est donc un recouvrement de la pièce par immersion dans un bain d’huile.

En conclusion le traitement de surface appliqué dépend fortement de l’utilisation de la pièce. Il n’y a pas de traitements de surface parfait, chacun a ses caractéristiques. Il est donc important de les connaitre et de voir quel est celui qui correspond le mieux aux contraintes qu’offre l’environnement dans lequel évolue le ressort. Evidemment il en existe beaucoup d’autres mais nous avons fait une sélection des plus courant traitements de surface appliqué aux ressorts.

Lorsque l’on évoque la fabrication de ressort, les besoins peuvent être très diverses. Que ce soit pour une petite ou grande entreprise, deux options s’offrent à vous. Fabricants sur mesure ou cataloguistes ? Éclairons la situation pour que vous puissiez faire le meilleur choix.

Ce mode de production est basé sur du flux poussé, c’est-à-dire que le fabricant produit des pièces en grande série pour pouvoir en faire du stock, à noter que certains cataloguistes peuvent faire du sur mesure. On en compte une dizaine d’acteurs présents commercialement en France.

Parfois, le cataloguiste ne fabrique jamais (ou qu’en partie), les pièces qu’il vend. Il est possible que ce ne soit qu’un concepteur-revendeur. Et lorsqu’il fabrique ses ressorts, ce n’est pas toujours dans des industries en France (voir en Europe). En résumé, certains fabriquent leurs ressorts eux-mêmes et d’autres sous-traitent en France ou à l’étranger. Cela pose aussi la question de la qualité des ressorts qui n’est pas constamment optimale, ce qui joue sur la pérennité de la pièce. Prenons l’exemple d’un cataloguiste français très connu, nous pouvons trouver dans ses propositions, des ressorts qui ne respectent pas forcément toutes les règles et les normes de conception recommandées, notamment avec un pas théorique maximum dépassé. Malgré tout, ces ressorts peuvent être très performant. Cela dépend encore de son utilisation.

En fabriquant sur mesure ses ressorts, cela s’apparente à du flux tendu, puisqu’on limite les stocks et c’est la commande du client qui déclenche la production. En France on compte un peu plus de 60 acteurs et un peu plus 1000 en Europe occidentale selon les différentes études de marché d’organismes réputés. Les sites de production des fabricants sont annoncés. Parfois votre partenaire habituel peut vous proposer de sous-traiter une réalisation auprès d’un confrère si votre demande sort de son champ de compétences ou que votre délai attendu est incompatible avec sa charge de production.

Être propriétaire de ses plans est finalement plus souple si la conception est bonne et de qualité. Vous avez alors propriété intellectuelle du plan et droit d’usage sur ce que le fabricant vous livre. D’ailleurs, cette méthode permet de s’adapter parfaitement au besoin du client. Là où l’achat de ressort sur catalogue vient uniquement s’approcher du besoin, le sur mesure le respecte parfaitement grâce au suivi personnalisé que propose la fabrication sur mesure. La plupart des fabricants proposent d’entrer en relation avec leurs chargés d’études. Ceux-ci analysent votre besoin et apportent leurs compétences pour définir une solution sur mesure. C’est alors une offre presque illimitée en France, grâce à une palette de savoir-faire et de compétences très large. La limite s’avère être bien souvent l’industrialisation de vos idées.

Au niveau du tarif, c’est toujours un chiffrage au cas par cas. Il va se retrouver plus élevé pour des pièces unitaires. Le coût de la première pièce est très élevé, car c’est elle qui embarque le temps de réglage et le traitement administratif de votre commande. Plus les quantités augmentent, plus les prix unitaires sont dégressifs. Les fabricants sur mesure deviennent alors compétitifs dès la petite série et incontournable à partir de la moyenne série.
Voilà, vous avez maintenant quelques informations clés qui vous permettent de défricher les différences entre la fabrication de ressorts sur mesure et les cataloguistes. Le tout est de bien définir ses priorités et ses besoins. Vous pourrez ensuite faire le choix de votre fournisseur. Au-delà des points de différences, il faut avant tout trouver le bon ressortier qui saura répondre à vos besoins.