L’IMPORTANCE DES ESSAIS DYNAMIQUES DE FATIGUE SUR LES RESSORTS
LE VRAI DÉFI
Partant du principe selon lequel les ressorts sont des composants très particuliers et complexes d’un point de vue physique, nous avons réalisé plusieurs études ciblées, concernant l’influence des Forces externes qui peuvent agir sur les ressorts, tant de manière statique que de manière dynamique.
Au vu de leur comportement et surtout de leur utilisation, les ressorts ayant la capacité à supporter des déformations élastiques continues, au moment de leur application, leur construction dimensionnelle est momentanément modifiée ; les ressorts doivent également avoir la capacité à absorber de grandes quantités d’énergie élastique, laquelle doit être libérée lorsque la force externe cesse d’être appliquée.
C’est principalement pour cette raison que l’étude de leur comportement, lorsqu’ils sont soumis à une ou plusieurs forces extérieures, devient cruciale.
Nous nous sommes posé de nombreuses questions qui sont le résultat d’une combinaison de raisonnements techniques liés aux besoins commerciaux que le marché impose aux constructeurs de ressorts ; le plus grand défi est actuellement le suivant : « Construire le meilleur ressort au meilleur prix », pour autant, nous sommes certains que les questions suivantes sont systématiquement à l’ordre du jour chez les constructeurs de ressorts :
- Comment s’assurer du bon fonctionnement d’un ressort avant de le mettre en service ?
- Comment peut-on être certain qu’un ressort est réellement en mesure de supporter le cycle de vie pour lequel il a été conçu ?
Les domaines d’utilisation des ressorts sont extrêmement nombreux et divers, l’un des exemples types d’utilisation exposant à de très fortes sollicitations est celui des ressorts insérés dans les soupapes des moteurs à explosion ; utilisation pour laquelle, outre plusieurs millions de cycles à supporter, les ressorts doivent également être en mesure de résister à de hautes températures qui peuvent donner lieu au phénomène dit de « trempe ».
Afin d’obtenir ces très hautes performances mécaniques de bonne déflexion et d’endurance continue des cycles en présence de charges unitaires très élevées, le constructeur de ressorts doit utiliser des aciers particulièrement alliés, avec du vanadium, du silicium et autres éléments d’alliage pour obtenir les aciers à haute limite d’élasticité ; sans oublier l’importance d’un traitement thermique approprié, visant à augmenter la dureté et repousser la limite d’élasticité.
Malgré les contenus de haute qualité exigés par les clients, au regard des criticités mécaniques élevées, les ressorts doivent être construits dans des délais minimes et à des coûts réduits. Ces contraintes font du « composant ressort » un élément extrêmement délicat.
Il en découle que le contrôle de la qualité des ressorts devient crucial pour garantir au client la fourniture d’un produit répondant à 100 % ses besoins, en essayant d’éliminer ou tout au moins de réduire les éventuels dysfonctionnements du produit fini, commercialisé et utilisé chaque jour.
LES AVANTAGES OBTENUS GRÂCE AUX ESSAIS DYNAMIQUES DE FATIGUE :
Depuis plus de 35 ans, Easydur est spécialisé dans la construction de machines de mesure et possède une grande expérience dans le domaine des essais mécaniques effectués sur des ressorts de toutes sortes ; aussi, forts de ce savoir-faire, nous pensons qu’il est aujourd’hui plus que jamais nécessaire d’effectuer des essais cycliques de longue durée (essais de fatigue) destinés à simuler le comportement du ressort pendant son cycle de vie.
Les essais dynamiques de fatigue effectués sur les ressorts sont souvent sous-estimés et considérés comme des essais quasiment destructifs puisque la plupart des machines de contrôle utilisées pour ce type d’essai sont des instruments mécaniques à très faible contenu technologique, dépourvus de cellules de charge et de logiciels de contrôle (que l’on peut qualifier de simples machines à manivelle).
Ces machines ont pour fonction de placer plusieurs ressorts d’un même type dans des conditions de stress jusqu’à ce qu’ils atteignent la rupture et comptabilisant uniquement le nombre de « coups » qui les a conduits à la rupture. Il n’est pas possible de programmer les charges et surtout, il n’est pas possible de connaître le moment de la chute de la charge pendant les cycles.
Établir la relaxation des ressorts et la perte des caractéristiques d’élasticité qui en découle permet de réaliser des gains de temps importants et permet de caractériser correctement les ressorts.
D’où la question suivante : pourquoi attendre la rupture alors que l’objectif peut être atteint beaucoup plus tôt en identifiant la relaxation ?
Au cours de l’année qui vient de s’écouler, nous avons vendu de nombreuses machines spécialement conçues pour permettre à nos clients d’effectuer des essais dynamiques de fatigue, contrôlées par notre logiciel spécifique « EasyDynamics » qui permet de simuler rapidement, correctement et efficacement le cycle de vie des ressorts soumis aux essais, facilitant ainsi la recherche et le développement de nouvelles solutions de production.
Il est important d’être en mesure de générer les graphiques de différents paramètres physiques (Force, Position, Temps, Vitesse, Température, etc.).
Graphique Force / Position
Graphique Force / Temps
Il est possible d’interroger le graphique de la sinusoïde, d’en examiner les points critiques, outre la programmation de paramètres d’essai tels que : Course, Vitesse, Force et Fréquence.
Ces caractéristiques techniques sont désormais le facteur prépondérant pour une analyse précise et approfondie de la simulation du cycle de vie du ressort avant sa rupture.
Exemple de machine électromécanique pour essais dynamiques de fatigue et essais statiques, avec système multi-cellules et valeur max. d’échelle : 50 kN
Généralement, les machines de ce type sont multicanal et elles peuvent être dotées de plusieurs cellules de charge et de canaux supplémentaires, à même d’acquérir les signaux de capteurs externes.
Graphique multicanal Force / Position
Axes des graphiques multi-paramètre
Étant donné qu’un essai « cyclique de durée » nécessite un laps de temps très important, il est également nécessaire de pouvoir sélectionner les temps et les fréquences d’acquisition des données.
Enfin, et ça n’est pas la moindre des caractéristiques, il est tout à fait possible d’équiper la machine de chambres climatiques pour effectuer des « essais à chaud » ou « cryogels » ou encore de chambres à brume saline pour effectuer des essais avec des agents corrosifs.
Nous tenons à souligner qu’une machine adaptée à ce type d’essais ne peut cependant pas faire l’impasse sur l’attention à accorder aux économies d’énergie, en utilisant des systèmes de récupération de l’énergie cinétique et de l’énergie élastique potentielle.
En étant à l’écoute de nombreux constructeurs de ressorts, nous avons compris qu’un tel outil, aurait surtout aidé à mettre en œuvre de nouvelles expérimentations et de nouveaux projets, surtout en phase de réalisation d’un lot de nouveaux ressorts, permettant d’étudier de nouveaux matériaux et des traitements thermiques moins coûteux, conduisant le constructeur de ressorts à établir en peu de temps, comment produire un ressort fiable, à un coût moindre, avec le succès commercial qui en découle.
Parallèlement, pourquoi ne pas donner la possibilité d’effectuer avec la même machine des essais statiques, gage d’une même précision et avec les mêmes objectifs que ceux d’un « essai de charges » classique ? Ce type de caractérisation dynamique est recommandé non seulement pour les ressorts à compression mais également pour les ressorts à traction et à torsion.
Notre objectif est d’étudier des solutions innovantes, visant les contrôles de qualité traditionnels mais aussi d’être à l’écoute des problèmes réels des constructeurs de ressorts, et de les aider à maximiser les temps, sans perdre de vue l’objectif principal : garantir une production « ZÉRO DÉFAUT ».
