Comment la plage de déflexion influe-t-elle sur les performances des rondelles ressort ?

Une charge statique est définie comme étant le fait d’appliquer une charge constante ou une charge changeant à des intervalles de temps relativement longs, ne dépassant pas les 10 000 cycles dans la vie du produit. Pour les applications statiques, la plus forte contrainte calculée à mi-hauteur de la surface supérieure de la rondelle ressort est essentielle. (Indiqué par le Point 0 sur la Figure 2.) À ce point, la plus forte contrainte calculée ne devrait pas dépasser la résistance à la traction approximative du matériau (1400-1600 N/mm²) lorsque la rondelle est en position plate. Des rondelles ressort standard peuvent être utilisées dans des conditions de charge statique sans qu’il soit nécessaire d’effectuer des calculs théoriques si la déflexion reste inférieure à 75% de la déflexion totale.

Figure 2

Les rondelles ressort à charge dynamique peuvent être scindées en deux catégories générales :

1. résistance à la fatigue limitée où les rondelles ressort atteignent de 10 000 à 2 000 000 cycles
2. résistance à la fatigue élevée où les rondelles ressort peuvent supporter plus de 2 000 000 cycles

Des procédés tels que le grenaillage peuvent être utilisés pour augmenter la résistance à la fatigue des rondelles ressort. Le grenaillage engendre des contraintes de compression positives sur la surface de la rondelle, réduisant la propagation de fissures.

Une contrainte résiduelle de traction liée à la fabrication apparaît sur le bord supérieur du diamètre intérieur de la rondelle, indiqué comme Point I sur la Figure 2 :

Lors de l’opération, cette contrainte de traction se transforme en contrainte de compression. Cette inversion du type de contrainte réduit radicalement la résistance à la fatigue. Maintenir la rondelle ressort sous une pré-charge constante de minimum 15% de déflexion élimine ces inversions de contraintes et augmente la durée de vie de la rondelle ressort. 

Le chargement initial de la rondelle ressort remplit deux objectifs :

1. Sur les rondelles ressort non chargées, la contrainte résiduelle de traction liée à la fabrication se produit au Point I indiqué sur la Figure 2. Le préchargement de la rondelle change la contrainte de traction du Point I en une contrainte de compression. Le fait de maintenir la partie supérieure de la rondelle sous une contrainte de compression réduit le risque de propagation de fissure. Les changements de contraintes de traction à contrainte de compression limitent fortement la résistance à la fatigue de la rondelle ressort. La rondelle ressort doit être soumise à une pré-charge d’au moins 15% de la déflexion totale pour éliminer la contrainte de traction.
2. La rondelle ressort est mise en place lorsque la force initiale appliquée est uniformément répartie sur la périphérie de la rondelle ressort. Les rondelles ressort ne sont pas totalement symétriques, il y a donc une légère augmentation de la force lorsqu’elles sont mises en place avec une pré-charge. Bien que cette augmentation de la force puisse être anticipée, elle n’est pas prise en compte dans les calculs force/déflexion.

Une charge finale croissante augmente les contraintes sur la rondelle ressort, ce qui diminue la résistance à la fatigue. Comme pour tout composant structurel, moins de déflexion signifie moins de contraintes et une durée de vie plus longue. Charger la rondelle ressort à plus de 75% de la déflexion totale amène la rondelle au-delà de la partie linéaire de la courbe de performances (Figure 1), et les contraintes peuvent augmenter de façon non linéaire conduisant à une chute rapide de la résistance à la fatigue. Moins il y a d’exigences relatives de conception pour atteindre la charge finale, plus la résistance à la fatigue est grande. 

Une diminution de la déflexion de la rondelle ressort augmente la résistance à la fatigue. Si une course plus longue est requise, les rondelles ressort peuvent être empilées pour fournir plus de déflexion sans accroître les contraintes sur chacune des rondelles ce qui augmente la résistance à la fatigue.

La plage de déflexion de la rondelle ressort détermine sa prévisibilité et son endurance.

Dans le cas de charges statiques, le calcul théorique des contraintes n’est pas nécessaire tant que la déflexion ne dépasse pas 75% de la déflexion totale de la rondelle.  Des déflexions plus élevées provoquent davantage de contraintes qui conduiront à une chute de la force du ressort. Comprendre comment la plage de déflexion influe sur la durée de vie des rondelles ressort est un élément essentiel pour déterminer la résistance à la fatigue. 

Les conseils offerts dans ce document sont généraux. Il est donc recommandé de consulter des ingénieurs d’applications spécialisés dans la conception de rondelles ressort afin de s’assurer que les exigences en termes de performances sont remplies pour chaque montage spécifique.