Comprendre les bases de l'application des ressorts à gaz

Lors du choix d'un ressort à gaz pour une application particulière, il est impératif d'avoir une compréhension de base du fonctionnement et de la terminologie utilisée lors de la spécification des ressorts à gaz. Cet article propose des recommandations et des lignes directrices pour différentes positions de montage et décrit les différents effets d'orientation et d'amortissement auxquels on peut s'attendre avec la position de montage choisie.

Principalement, un ressort à gaz est identique à un ressort hélicoïdal mécanique : un dispositif de stockage d'énergie. Un ressort à gaz, cependant, stocke l'énergie en comprimant le gaz contenu à l'intérieur, plutôt qu'en utilisant un matériau de tension qui constitue un ressort hélicoïdal.

Un ressort à gaz est un système fermé qui ne nécessite aucune introduction de gaz supplémentaire pour que le système fonctionne une fois chargé d'azote gazeux inerte et fabriqué. La pression de part et d'autre du piston (point de référence un sur la figure 1) reste égale quel que soit l'endroit où il est positionné ; cela est dû à la petite section transversale de la tige (point de référence deux sur la figure 1) où le gaz est incapable d'exercer une pression.

Lorsque la tige est poussée dans le tube, le gaz contenu dans le ressort est comprimé, augmentant la pression, la compression du gaz créant le comportement de ressort. Le piston fixé à la tige permet l'écoulement de gaz à travers le piston et fournit les moyens de contrôler l'écoulement de gaz lorsque la tige est enfoncée et étendue.

Certaines terminologies courantes utilisées lors de la spécification d'un ressort à gaz comprennent :

Course : la distance maximale que la tige peut parcourir de la longueur fermée à la longueur étendue.

Longueur étendue : La longueur totale du ressort à gaz mesurée du centre d'un ajustement d'extrémité au centre de l'ajustement d'extrémité suivant.

Longueur fermée : La longueur fermée totale mesurée du centre d'un ajustement d'extrémité au centre de l'ajustement d'extrémité suivant. Il peut y avoir des moments où aucun ajustement d'extrémité n'a été spécifié ; cette mesure fera référence à la longueur de l'extrémité de la tige à l'extrémité du tube (à l'exclusion des filetages).

Beadroll : La section rainurée du tube. Cette caractéristique est utilisée pour retenir le guide et le paquet de joints et empêcher le piston d'endommager le paquet de joints pendant l'extension.

Un ressort à gaz contient plusieurs composants, dont chacun fait partie intégrante du fonctionnement sûr et réussi du composant. La figure 2 illustre ces composants.

Canne à pêche. Une tige est disponible en acier au carbone poli ou en acier inoxydable. La surface est traitée pour améliorer l'usure et augmenter la résistance à la corrosion. Généralement, la tige sera toujours plus longue que la course du ressort et plus courte que la longueur du tube. L'acier au carbone peut être traité de plusieurs manières, telles que le chromage, la nitruration au bain de sel et l'utilisation d'un traitement de couche de surface Nitrotec, qui présente un certain nombre d'avantages par rapport aux autres méthodes, notamment :

Meilleure résistance à l'usure

Caractéristiques de frottement inférieures

Résistance à la corrosion équivalente à l'inox

Le processus est respectueux de l'environnement, non toxique et ne produit aucun sous-produit acide.

Tube. Un tube de ressort à gaz comprend un tube soudé sans soudure à haute intégrité revêtu de poudre, en carbone ou en acier inoxydable adapté aux hautes pressions. La finition de surface interne et la résistance à la traction du tube sont essentielles pour la longévité et la performance de pression d'éclatement d'un ressort à gaz.

Ensemble guide et sceau.Fabriqué à partir d'un composite plastique, l'ensemble de guidage et de joint fournit une surface d'appui pour la tige et empêche la fuite de gaz et la pénétration de contamination.

En plus du composite plastique, les guides utilisés dans les ressorts à gaz peuvent également être fabriqués à partir de zinc, de laiton ou d'autres matériaux avec un manchon de roulement approprié incorporé. Le caoutchouc est utilisé en standard pour les joints.

Assemblage de pistons. L'ensemble de piston est fabriqué en zinc, en aluminium ou en plastique. Pour des facteurs impliquant la sécurité et empêchant la tige d'être expulsée du ressort, l'intégrité de la fixation piston-tige est critique. L'ensemble de piston contrôle la vitesse à laquelle le ressort à gaz s'étend et se comprime.

Prise de fin.Le bouchon d'extrémité est utilisé pour sceller l'extrémité du tube du ressort à gaz et se fixer au raccord d'extrémité du tube.

Charge d'azote gazeux. L'azote est utilisé à l'intérieur des ressorts à gaz car il est inerte et ininflammable ; il ne réagit avec aucun des composants internes.

En plus d'assurer la lubrification des joints, du piston et de la tige de piston, l'huile contenue dans un ressort à gaz assure également le contrôle de la vitesse du ressort à la fin de sa course d'extension. L'huile agit pour ralentir le ressort et empêche les charges de choc lorsqu'il atteint sa pleine extension. Sans cette commande d'amortissement, une extension rapide de la commande du ressort à gaz se produirait, ce qui pourrait entraîner une défaillance du produit, des dommages ou des blessures.

L'amortissement est généralement obtenu en régulant le débit de gaz et d'huile à travers le piston. Lorsqu'il est monté dans la position préférée de la tige vers le bas, l'amortissement maximal est atteint une fois que le piston atteint la colonne d'huile interne près du point d'extension complète. C'est ce qu'on appelle la zone d'amortissement de l'huile.

Le niveau d'amortissement peut être influencé par un certain nombre de facteurs :

Température de fonctionnement. Cela affecte l'amortissement de deux manières. Lorsque la température augmente, la force à l'intérieur du ressort augmente et l'huile diminue de viscosité. En conséquence, le ressort s'étendra plus rapidement et aura moins d'amortissement. À des températures plus basses, l'inverse se produira, avec une réduction de la force d'extension et une augmentation de la viscosité de l'huile ; ainsi, le ressort s'étendra à un rythme plus lent et aura un amortissement plus élevé.

Viscosité de l'huile. La viscosité, par définition, est la résistance d'un fluide à l'écoulement et au cisaillement. L'huile est un fluide à haute viscosité, donc à mesure que la température augmente, la viscosité de l'huile diminue, ce qui signifie qu'elle s'écoulera plus rapidement et aura moins de résistance aux objets qui la traversent (comme le piston ou le ressort à gaz). Les huiles peuvent être spécifiées avec différentes viscosités (résistance à l'écoulement) ; plus l'indice de viscosité est élevé, plus la résistance est élevée.

Plus la viscosité de l'huile est élevée, plus l'effet d'amortissement sera important sur le ressort à gaz ; cependant, un autre facteur à prendre en considération est l'indice de viscosité de l'huile. Cela indique le taux de variation entre deux températures. La vitesse à laquelle la viscosité change est non linéaire et les diagrammes de viscosité sont tracés sous forme de fonction logarithmique par rapport à la température linéaire. Les huiles à haute viscosité ont tendance à avoir un indice de viscosité plus élevé. Cela indique qu'elles sont sujettes à des niveaux de changement de viscosité plus importants qu'une huile à faible viscosité. Le résultat sur le ressort à gaz sera un changement plus prononcé du comportement d'amortissement avec les fluctuations de température.

Plus le diamètre du tube est grand par rapport au diamètre de la tige, plus le volume de fluide nécessaire pour traverser le piston est important (et par la suite, plus l'effet d'amortissement sera important). Si un amortissement constant est requis sur toute la course pour obtenir un taux contrôlé d'extension ou de compression, des amortisseurs entièrement fluides doivent être utilisés.

Volume d'huile. Plus le volume d'huile contenu dans le ressort est élevé, plus tôt le ressort à gaz atteindra la zone d'amortissement de l'huile et plus la vitesse d'extension sera lente.

Point de coulée d'huile. Le point d'écoulement d'un liquide est la température à laquelle il devient semi-solide et perd ses caractéristiques d'écoulement. Pour un ressort à gaz, cela signifie qu'une fois le point d'écoulement atteint, l'huile devient effectivement un solide. La course complète du ressort à gaz ne peut pas être pleinement utilisée et aucun amortissement ne se produit.

Le dosage contrôle le taux d'extension et/ou de compression d'un ressort à gaz. Différents fabricants utilisent différentes techniques pour y parvenir, allant de la modification de la taille des orifices du piston à la création de voies d'écoulement restrictives à travers le piston. Fondamentalement, quelle que soit la méthode utilisée, le but reste de créer une chute de pression à travers le piston pour contrôler le taux d'extension. Plus l'orifice du piston est grand ou plus le trajet d'écoulement est court, plus la chute de pression est faible, moins le trajet d'écoulement est restreint et plus le ressort s'étendra rapidement.

Un autre facteur affectant les performances du ressort est le frottement de rupture (également appelé stiction). Cela se produit lorsqu'une source a été autorisée à rester stationnaire pendant un certain temps; cela peut être aussi peu que quelques heures. En raison de la pression contenue dans le ressort, la lubrification a tendance à s'éloigner des joints et le caoutchouc est forcé dans les minuscules fissures et crevasses du métal. Lorsque le ressort est activé pour la première fois, une force supplémentaire est nécessaire pour surmonter le frottement et libérer le caoutchouc des fissures et des crevasses.

Cet article a été rédigé par Camloc Motion Control Ltd., Leicester, Royaume-Uni. Pour plus d'informations, rendez-vous ici.

Cet article est paru pour la première fois dans le numéro d'avril 2019 de Motion Design Magazine.

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