Formules de calcul de ressort de compression en unités anglo-saxonnes

Formules générales de calcul

Facteur d'utilisation de la matière

Facteur de sécurité à la limite de fatigue

Diamètre externe du ressort

D ₁ = D + d [po]

où :

	D	diamètre moyen du ressort [po]
	d	diamètre du fil [po]

Diamètre interne du ressort

D ₂ = D - d [po]

où :

	D	diamètre moyen du ressort [po]
	d	diamètre du fil [po]

Flexion de fonctionnement

H = L ₁ - L ₈ = s ₈ - s ₁ [po]

où :

	L 8	longueur du ressort à pleine charge [po]
	L 1	longueur du ressort sous charge de mise en place [po]
	s 8	flexion du ressort à pleine charge [po]
	s 1	flexion du ressort sous charge de mise en place [po]

Index de courbure du fil

c = D/d [-]

où :

	D	diamètre moyen du ressort [po]
	d	diamètre du fil [po]

Facteur de correction de Wahl

où :

c	index de courbure du fil [-]

Force générale exercée par le ressort

où :

	d	diamètre du fil [po]
	τ	contrainte de torsion de la matière du ressort, en général [psi]
	D	diamètre moyen du ressort [mm]
	K w	facteur de correction de Wahl [-]
	G	module d'élasticité de la matière du ressort [psi]
	s	flexion du ressort en général [po]
	n	nombre de spires actives [-]
	F 0	tension initiale du ressort [N]

Raideur totale

où :

	d	diamètre du fil [po]
	D	diamètre moyen du ressort [mm]
	G	module d'élasticité de la matière du ressort [psi]
	n	nombre de spires actives [-]
	F 8	force de fonctionnement dans le ressort à pleine charge [psi]
	F 1	force de fonctionnement dans le ressort à charge minimale [psi]
	H	flexion de fonctionnement [po]

Diamètre moyen du ressort

où :

	G	module d'élasticité de la matière du ressort [psi]
	d	diamètre de fil [mm]
	k	raideur totale [lb/po]
	n	nombre de spires actives [-]

Flexion du ressort en général

s = F / k [po]

où :

	F	force générale exercée par le ressort [lb]
	k	raideur totale [lb/po]

Longueur de ressort libre

L ₀ = L ₁ + s ₁ = L ₈ + s ₈ [po]

où :

	L 8	longueur du ressort à pleine charge [po]
	L 1	longueur du ressort sous charge de mise en place [po]
	s 8	flexion du ressort à pleine charge [po]
	s 1	flexion du ressort sous charge de mise en place [po]

Calcul de conception du ressort

Concevez le diamètre du fil, le nombre de spires et la longueur du ressort libre L ₀ pour une charge, une matière, des cotes d'ensemble ou un diamètre du ressort spécifiques. A l'aide des diamètres de fil recommandés, le pas t entre les filetages de ressort à l'état libre se situe dans la gamme 0.3 D ≤ t ≤ 0.6 D [po].

Basez le ressort sur la condition de force τ ₈ ≤ u _s τ _A et sur la plage des valeurs recommandées des cotes géométriques de certains ressorts :

L ₈ ≥ L _minF et D ≤ L ₀ ≤ 10 D et L ₀ ≤ 31.5 in et 4 ≤ D/d ≤ 16 et n≥ 2 et 12 d ≤ t < D

où :

	D	diamètre moyen du ressort [po]
	d	diamètre du fil [po]
	τ	pas des spires actives à l'état libre [po]
	τ 8	contrainte de torsion de la matière du ressort dans la contrainte à pleine charge [psi]
	τ A	contrainte de torsion admissible de la matière du ressort [psi]
	u s	facteur d'utilisation de la matière [-]
	L 8	longueur du ressort à pleine charge [po]
	L minF	longueur du ressort d'essai limite [po]
	n	nombre de spires actives [-]

Conformez-vous aux conditions de sécurité pour le flambage et vérifiez les spécifications relatives aux conditions de charge de fatigue.

Procédures de conception

1. Charge, matière et cotes de l'ensemble ressort spécifiées

Commencez par vérifier et calculer les valeurs d'entrée.

Concevez le diamètre du fil et le nombre de spires en fonction de la contrainte et de la géométrie nécessaires (voir ci-dessus) ou utilisez les valeurs de diamètre du ressort indiquées dans les spécifications.

Pendant la conception, le programme calcule un par un (du plus petit au plus grand) tous les diamètres de fil du ressort répondant aux conditions de contrainte et de géométrie. Si toutes les conditions sont remplies, la conception se termine avec les valeurs sélectionnées, sans tenir compte des autres diamètres conformes. Cela signifie que le programme essaie de concevoir un ressort ayant un diamètre de fil et un nombre de spires minimaux.

2. Conception du ressort en fonction de la charge, de la matière et du diamètre de ressort spécifiés

Commencez par vérifier les valeurs d'entrée pour le calcul.

Concevez le diamètre du fil, le nombre de spires, la longueur du ressort libre et les cotes de l'ensemble en fonction des conditions de contrainte et de géométrie mentionnées plus haut, en fonction des cotes de l'ensemble L ₁ ou L ₈ indiquées dans les spécifications ou toute valeur de flexion de fonctionnement du ressort étant limitée.

Utilisez la formule suivante pour concevoir le ressort d'après le diamètre de fil spécifié.

où :

	τ 8 = 0.85 τ A
	F 8	force de fonctionnement dans le ressort à pleine charge [psi]
	D	diamètre moyen du ressort [po]
	K w	facteur de correction de Wahl [-]
	τ 8	contrainte de torsion de la matière du ressort dans la contrainte à pleine charge [psi]
	τ A	contrainte de torsion admissible de la matière du ressort [psi]

Si aucune combinaison convenable de cotes de ressort ne peut être conçue pour le diamètre de fil, tous les diamètres de fil du ressort répondant aux conditions de contrainte et de géométrie sont testés, du plus petit au plus grand. Les nombres de spires appropriés sont vérifiés, pour déterminer si le ressort est conforme ou non aux conditions. Dans ce cas, la conception se termine d'après les valeurs sélectionnées, sans tenir compte des autres diamètres conformes, et le ressort est conçu selon un diamètre de fil et un nombre de spires minimaux.

3. Conception du ressort en fonction de la force de fonctionnement maximale, de la matière, des cotes d'ensemble et du diamètre de ressort spécifiés

Commencez par vérifier les valeurs d'entrée pour le calcul.

Concevez ensuite le diamètre du fil, le nombre de spires, la longueur du ressort libre et la force de fonctionnement minimale F ₁ , de sorte à remplir les conditions de contrainte et de géométrie mentionnées plus haut.

Utilisez la formule suivante pour concevoir le ressort d'après le diamètre de fil spécifié.

où :

	τ 8 = 0.85 τ A
	F 8	force de fonctionnement dans le ressort à pleine charge [psi]
	D	diamètre moyen du ressort [po]
	K w	facteur de correction de Wahl [-]
	τ 8	contrainte de torsion de la matière du ressort dans la contrainte à pleine charge [psi]
	τ A	contrainte de torsion admissible de la matière du ressort [psi]

Si aucune combinaison convenable de cotes de ressort ne peut être conçue pour le diamètre de fil, tous les diamètres de fil du ressort répondant aux conditions de contrainte et de géométrie sont testés, du plus petit au plus grand. Les nombres de spires appropriés sont vérifiés, pour déterminer si le ressort est conforme ou non aux conditions. Dans ce cas, la conception se termine d'après les valeurs sélectionnées, sans tenir compte des autres diamètres conformes, et le ressort est conçu selon un diamètre de fil et un nombre de spires minimaux.

Calcul de la vérification du ressort

Calcule les valeurs de cotes de l'ensemble et la flexion de fonctionnement correspondant à la charge, la matière et les cotes de ressort spécifiées.

Dans un premier temps, les valeurs d'entrée sont vérifiées. Les cotes de l'ensemble sont ensuite calculées à l'aide des formules suivantes :

Longueur du ressort sous charge de mise en place

Longueur du ressort à pleine charge

où :

	L 0	longueur du ressort libre [po]
	F 1	force de fonctionnement dans le ressort à charge minimale [po]
	n	nombre de spires actives [-]
	D	diamètre moyen du ressort [po]
	G	module d'élasticité de la matière du ressort [psi]
	d	diamètre du fil [po]
	F 8	force de fonctionnement dans le ressort à pleine charge [psi]

Flexion de fonctionnement

H = L ₁ - L ₈ [po]

Calcul des forces de fonctionnement

Calcule les forces produites par des ressorts dans leurs états de fonctionnement en fonction de la matière, des cotes d'ensemble et des cotes de ressort spécifiées. Dans un premier temps, les valeurs d'entrée sont vérifiées et calculées, puis les forces de fonctionnement sont calculées à l'aide des formules suivantes.

Force de fonctionnement minimale

Force de fonctionnement maximale

Calcul des paramètres de sortie du ressort

Calcul commun à tous les types de ressort, effectué dans l'ordre suivant.

Raideur totale

Longueur limite théorique du ressort

L ₉ = (n + n _z + 1 - z ₀ ) d [po]

Longueur test limite du ressort

L _minF = L _9max + S _amin [po]

où la longueur limite supérieure du ressort est l'état limite L _9max  :

pour des extrémités non enterrées
	L 9max = 1.03 L 9 [po]
pour des extrémités dressées et (n + nz) <= 10.5
	L 9max = (n + n z ) d [po]
pour des extrémités dressées et (n + nz) > 10.5
	L 9max = 1.05 L 9 [po]

Total de l'espace minimal admissible entre les spires actives du ressort à pleine charge

alors que la valeur c+5 est utilisée pour les valeurs d'index du ressort c < 5.

Flexion du ressort à l'état limite

s ₉ = L ₀ - L ₉ [po]

Force de ressort limite

F ₉ = k S ⁹ [lb]

Espacement entre les spires

Pas des spires actives

t = a + d [po]

Flexion du ressort sous charge de mise en place

s ₁ = L ₀ - L ₁ [po]

Flexion totale du ressort

s ₈ = L ₀ - L ₈ [po]

Contrainte de torsion de la matière du ressort sous charge de mise en place

Contrainte de torsion de la matière du ressort dans la contrainte à pleine charge

Contrainte des spires jointives

Longueur du fil déroulé

l = 3.2 D (n + n _z ) [po]

Masse du ressort

Energie de déformation du ressort

Fréquence propre d'oscillation du ressort

Vitesse critique (limite) du ressort concernant les impacts de la spire mutuelle provoqués par l'inertie

Vérification de la charge du ressort

τ ₈ ≤ u _s τ _A et L _minF ≤ L ₈

Signification des variables utilisées :

a	espacement entre les spires actives à l'état libre [po]
k	raideur totale [lb/ft]
d	diamètre du fil [po]
D	diamètre moyen du ressort [po]
D 1	diamètre externe du ressort [po]
D 2	diamètre interne du ressort [po]
F	force générale exercée par le ressort [lb]
G	module d'élasticité en cisaillement de la matière du ressort [psi]
c	index de courbure du fil [-]
H	flexion de fonctionnement [po]
K w	facteur de correction de Wahl [-]
k f	facteur de sécurité à la limite de fatigue [-]
l	longueur du fil déroulé [po]
L	longueur du ressort en général [po]
L 9max	longueur limite supérieure du ressort à l'état limite [po]
L minF	longueur du ressort d'essai limite [po]
m	masse du ressort [lb]
N	durée de résistance à la fatigue d'un ressort en milliers de flexions [-]
n	nombre de spires actives [-]
n z	nombre de spires terminales [-]
t	pas des spires actives à l'état libre [po]
s	flexion du ressort (élongation) en général [po]
s amin	total de l'espace minimal admissible entre les spires actives du ressort [po]
u s	facteur d'utilisation de la matière [-]
z 0	nombre de spires dressées [-]
ρ	densité de la matière du ressort [lb/ft 3 ]
σ ult	résistance à la traction de la matière du ressort [psi]
τ	contrainte de torsion de la matière du ressort, en général [psi]
τ e	limite d'endurance en cisaillement du ressort avec charge de fatigue [psi]
τ A8	contrainte de torsion admissible de la matière du ressort [psi]