Ressorts - Classification, contraintes, matériaux et procédés de fabrication

Les ressorts sont très fréquemment exploités dans les systèmes mécaniques et pour des applications très variées. Ce sont des organes mécaniques ayant généralement une forme simple (lames ou hélicoïde) dont la conception a parfois tendance à être négligée en phase de conception préliminaire. L’expérience montre que les ressorts doivent être conçus et fabriqués avec soin pour garantir le bon fonctionnement des systèmes dans lesquels ils sont intégrés. D’un point de vue historique, l’Institute of Spring Technology (IST) a par exemple été créé au Royaume-Uni pendant la seconde guerre mondiale pour traiter les problématiques de mise hors-service d’armes et de véhicules suite à des casses de ressorts. Aujourd’hui, l’IST est toujours actif et participe au développement de la connaissance (avec d’autres laboratoires dans le monde) sur les ressorts et les matériaux associés.

Les enjeux environnementaux amènent les ingénieurs à repousser les limites des technologies pour trouver des systèmes toujours plus économes en énergie tout en garantissant leur robustesse et leur longévité dans un souci de développement durable. Dans ce contexte, il est impératif d’intégrer une bonne conception des ressorts pour ne pas qu’ils soient les éléments critiques des systèmes.

Les ressorts sont basés sur un phénomène physique simple : tout effort appliqué à une pièce mécanique la met dans un état de contrainte qui la déforme. Si cette propriété génère souvent des effets néfastes sur les systèmes, les organes mécaniques appelés liaisons élastiques ou plus communément ressorts exploitent cette propriété de manière positive. Ainsi, le déplacement global associé à l’accumulation des déformations locales est utile dans plusieurs cas :

• pour maintenir un effort constant ou un couple constant (cas des attaches) ;

• pour signaler ou contrôler la valeur d’une force ou d’un couple (cas des dynamomètres) ;

• pour emmagasiner puis restituer progressivement de l’énergie motrice (cas des horloges) ;

• pour emmagasiner puis restituer rapidement de l’énergie motrice (cas des contacts électriques, des ressorts de soupapes, du déploiement des panneaux solaires des satellites) ;

• pour limiter la force due à un choc (cas des tampons) ;

• pour filtrer une vibration (cas des suspensions).

Le champ des applications des ressorts est donc vaste et certaines de ces applications sont potentiellement critiques lorsque les mécanismes sont de haute technologie (i.e. satellites) ou mettent en jeu des vies humaines (i.e. ressorts de suspension des voitures).

L’objectif de cet article est d’aider les ingénieurs à mieux concevoir les ressorts en fonction des applications ciblées. À cet effet, les grandes lois mécaniques qui régissent le fonctionnement des ressorts sont présentées. Cela permet de mettre en place une classification des ressorts selon les sollicitations internes (contraintes normales ou tangentielles). Ensuite, les diverses catégories de matériaux utilisables sont détaillées ainsi que les procédés de fabrication associés. Enfin, les critères influençant la durée de vie des ressorts en acier (les plus utilisés) sont analysés.