Essai de ressort hélicoïdal dans l’industrie automobile
Associés à des amortisseurs, les ressorts de suspension, appelés ressorts hélicoïdaux, servent d’éléments d’amortissement entre le châssis et la carrosserie et jouent un rôle déterminant pour le confort de conduite et la sécurité des véhicules modernes. Un ressort de suspension joue un rôle important dans l’absorption des chocs et des vibrations dus à la route. Il doit également avoir un effet de traction sur les roues.
Les ressorts hélicoïdaux, également appelés ressorts de compression, sont des éléments essentiels des systèmes de suspension modernes. Ils servent à amortir les irrégularités de la chaussée, contribuent à la sécurité routière et à la traction et offrent un confort de conduite optimal. Leur conception compacte et la possibilité de les combiner avec des amortisseurs en font la solution privilégiée dans de nombreux modèles de véhicules.
En service, les ressorts hélicoïdaux sont soumis à une contrainte axiale dans le sens de la traction ou de la compression. Lors de leur conception, les ressorts sont optimisés en fonction de l’application et du type de véhicule et doivent fonctionner très précisément selon leurs spécifications. Ils doivent donc être contrôlés de manière approfondie. Le poids total des véhicules électriques modernes est généralement plus élevé que celui des véhicules à propulsion conventionnelle, de sorte que les ressorts sont soumis à des forces encore plus importantes. Il est donc essentiel de pouvoir contrôler les ressorts de manière fiable. Le système d’essai de ressorts hélicoïdaux de ZwickRoell se distingue par une plateforme de mesure multicanal unique pouvant accueillir jusqu’à neuf capteurs de force. Ceux-ci peuvent mesurer non seulement les forces axiales, mais aussi les forces transverses et les lignes d’action des forces avec une grande précision et déterminer toutes les caractéristiques des ressorts. De plus, ces lignes et points d’action peuvent être représentés virtuellement en temps réel dans le programme d’essai développé à cet effet dans le logiciel testXpert.
Caractéristiques typiques d’un ressort Vecteur de charge des ressorts hélicoïdaux Système d’essai de ressorts multicanal Essai multiaxial des jambes de suspension Exigences relatives au système d’essai de ressorts Demander conseil Références
Ressorts hélicoïdaux - La solution privilégiée dans de nombreux modèles de véhicules
Pour les applications automobiles, les ressorts de compression (communément appelés ressorts hélicoïdaux ou encore ressorts cylindriques et ressorts spiralés) constituent le meilleur choix car :
- Ils garantissent de manière fiable la garde au sol de la carrosserie ;
- Ils fonctionnent de manière fiable dans des environnements difficiles et leur fabrication est économique ;
- Leur conception compacte permet un montage peu encombrant dans des berceaux auxiliaires ou sur les bras de suspension ;
- Ils peuvent être combinés avec l’amortisseur pour former une unité (jambe de suspension simple et jambe de suspension McPherson) ;
- Ils présentent une caractéristique linéaire, voire progressive.
DIN EN 15800 Caractéristiques typiques dans l’essai de ressorts hélicoïdaux
La norme européenne DIN EN 15800 (qui remplace la norme DIN 2095) définit les spécifications de qualité pour les ressorts cylindriques hélicoïdaux en fils ronds. Les ressorts de compression façonnés à froid peuvent être fabriqués jusqu’à un diamètre de fil d’environ 16 mm. (Voir aussi la norme EN 13906-1.)
Les grandeurs les plus importantes d’un ressort hélicoïdal standard sont les suivantes :
- Longueur libre [Lo] – longueur nominale du ressort hélicoïdal à l’état non chargé
- La force du ressort [F] et la longueur du ressort [L] sont des caractéristiques du ressort dans la plage de travail
- Longueur à bloc [Lc] – à la compression complète
- Force à bloc [Fc] – force qui apparaît en cas de contact avec les spires (longueur à bloc)
- Taux de ressort [R] – augmentation des caractéristiques du ressort (force par course) en N/mm (également appelé constante de ressort, raideur ou dureté du ressort)
- Forces transverses [Fx, Fy] – pour le frottement et l’évaluation de l’usure
- Points de pénétration – définissent la ligne d’action de la force résultante
- Rayon d’enveloppe [De] - rayon d’une spire de ressort à l’état chargé
- Moyenne - calcule le point de pénétration où le vecteur de force traverse le plan d’appui du ressort
Pourquoi la mesure du vecteur de charge est-elle si importante pour les ressorts hélicoïdaux ?
Dans les ressorts hélicoïdaux, le vecteur de charge n’est jamais parallèle à l’axe géométrique médian, car les extrémités du ressort ne sont pas sollicitées de manière uniforme en raison de la forme hélicoïdale, ce qui entraîne des contraintes multiaxiales complexes. Les forces qui en résultent génèrent des forces transverses, des moments de basculement et de torsion, qui apparaissent dans la surface d’appui du ressort et peuvent entraîner des frottements et une usure prématurée des composants adjacents, tels que les jambes de suspension ou les soupapes.
En plus des mesures standard, il est donc essentiel de mesurer avec précision le vecteur de charge, ses points de pénétration ainsi que les forces et moments horizontaux, idéalement à l’aide d’un système d’essai de ressorts multiaxial. Ces mesures peuvent également être affichées en temps réel dans le programme d’essai correspondant du logiciel d’essai testXpert de ZwickRoell.
Système d’essai de ressorts multicanal de ZwickRoell
ZwickRoell propose un système d’essai de ressorts multicanal unique au monde permettant de réaliser un essai de ressorts hélicoïdaux précis, conforme aux normes et fiable. Il fonctionne avec neuf capteurs de force et peut ainsi déterminer les moments pertinents :
- 6 capteurs verticaux (en haut et en bas)
- 3 capteurs horizontaux (plateforme au sol)
Cela permet de mesurer simultanément les forces axiales et latérales, de déterminer les centres de force et de calculer toutes les valeurs caractéristiques pertinentes dans un déroulement d’essai entièrement automatique. Cela permet surtout de déterminer les points de pénétration qui, sur un ressort de ce type, ne se trouvent jamais au centre de l’axe et ont donc une grande influence.
Les avantages du système d’essai de ressorts hélicoïdaux ZwickRoell en un coup d’œil :
- Détermination de toutes les valeurs caractéristiques pertinentes du ressort
- Cycle de mesure automatisé
- Représentation 3D des forces résultantes
- Répétabilité maximale
- Procès-verbaux d’essai librement définissables
- Mesure optionnelle du cercle enveloppe
Le système permet de réaliser des essais sur tous les types de construction tels que les ressorts cylindriques, les ressorts à tambour, les ressorts coniques, les ressorts biconiques et les ressorts tonneaux. Les exigences en matière de résistance au flambage, de stabilité latérale, d’encombrement et de comportement vibratoire sont différentes pour chaque type de ressort et peuvent être analysées de manière fiable avec ce système.
Machine d’essai de ressorts pour l’essai multiaxial de jambes de suspension, c’est-à-dire d’unités ressort-amortisseur
Ce système d'essais ressort est équipé de trois axes d’essais pour la mesure des caractéristiques d’amortissement des amortisseurs hydrauliques. C'est l'axe de la machine d'essai qui applique la force verticale (charge de roue). Les forces horizontales et couples de torsion, enregistrées pendant les courbes de manœuvre, l'approche, le freinage etc. sont créées par un vérin d’essai électromécanique appliqué horizontalement et un entraînement de torsion. Les axes d’essais peuvent être contrôlés individuellement et indépendamment les uns des autres. Ce qui permet de déterminer les caractéristiques (amortissement, frottement, viscosité) à différentes vitesses axiales, avec et sans force latérale et ou couple de torsion.
Quelles sont les exigences auxquelles doit satisfaire le système d’essai de ressorts ?
Afin d’obtenir des résultats d’essai fiables, le système d’essai doit répondre à des exigences supplémentaires :
- La machine doit présenter une grande répétabilité, qui peut être déterminée à l’aide de ressorts de référence.
- Les plateaux de compression doivent présenter un parallélisme élevé à l’état non chargé.
- Une application de force excentrée par rapport à l’axe d’essai ne doit pas influencer la mesure de la force de plus de 1 %.
La norme EN ISO 7500-1, qui définit les spécifications d’étalonnage pour la vérification de machines d’essai statique uniaxiales, doit impérativement être respectée. La norme ISO 7500-1 annexe 2 résume les exigences relatives à l’étalonnage des machines d’essai de ressorts. En principe, il faut respecter la classe 0,5 lors de l’étalonnage de la force.