Brevet FR3088396A1 — publié le 20200515

Description Titre de l'invention : Ressort de torsion spirale à couple quasi constant pour le stockage d'énergie [1] La présente invention concerne un ressort de torsion spirale à couple d'enroulement ou de déroulement quasi invariant. C'est un ressort de type ressort plat et de torsion spirale, à épaisseur croissante et fixe par intervalles. il peut être composé d'une seule ou de plusieurs lames (multi-feuilles) de longueurs différentes, de même nature ou de natures différentes, pour maintenir un couple quasi constant le long du ressort. [2] Les ressorts de torsion spirale classiques peuvent stocker ou délivrer un moment de force lors de l'enroulement ou du déroulement. Le couple résistant à l'enroulement au moment du stockage d'énergie dépend inversement des rayons des enroulements et il varie le long du ressort. Par conséquent, on diminue la performance du ressort et cela peut impacter l'enroulement ou le déroulement, comme il peut aussi augmenter le frottement entre les enroulements. De plus, la distribution du stress sera non homogène de manière significative, et la partie qui subit le stress le plus important va se fatiguer plus vite. [3] Des solutions ont été proposées convenablement aux applications qui utilisent des ressorts à torsion spirale, mais la plupart d'entre eux nécessitent un processus de fabrication bien compliqué et difficile à réaliser. [4] Dans l'horlogerie, où ce ressort est le plus utilisable, des solutions proposées ont cherché à éviter les forces résistantes comme la force de gravité pour augmenter ses performances. De plus, les ressorts ont été fabriqués de matériaux non magnétiques, comme le ressort de Breguet (www.breguet.com ) fabriqué de cuivre ou de silicium (récemment). Des solutions jouaient sur la flexibilité ou la rigidité de la lame du ressort en augmentant graduellement son épaisseur comme « US 209 642 » et « EP 1431844 », ou en modifiant sa section rectangulaire « CH 327 796 ». D'autres solutions ont modifié une ou plusieurs parties de la lame du ressort tout en faisant varier sa section ou en ajoutant un corps quelconque comme dans « US 3 550 928 », « EP 1 473 604 » et « BE 526689 ». Le « EP 2 299 336 2 A2 » propose une allure particulière de variation d'épaisseur du ressort spiral pour assurer une force nulle sur les pivots de fixation et le point d'encastrement. [5] Dans les systèmes de stockage d'énergie par ressort plat de torsion spirale, beaucoup d'études sont concentrées sur l'optimisation des paramètre du ressort en vu d'obtenir une réponse souhaitée. L'article de Arefin Ahmed et Hong Zhou, synthèse of non linéar spiral torsion springs, International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT), ISSN: 2278-0181, Vol. 3 Issue 6, June - 2014, a travaillé sur l'optimisation de l'épaisseur de la lame du ressort pour avoir une relation couple-rotation souhaitée, ce qui a amené à adopter une épaisseur non régulièrement variable de la lame. Une autre étude faite dans l'article de Jingqiu Tang et al, Finite Element Analysis of Flat Spiral Spring on Mechanical Elastic Energy Storage Technology, published in Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology, ISSN: 2040-7459; e-ISSN: 2040-7467, February 05, 2014, a montré que le matériel du ressort à l'axe neutre a une grande influence sur le mode de vibration. La largeur influence grandement le mode de vibration, mais le changement de largeur et de la forme de la section ont très peu d'effet sur la fréquence du ressort. Le document FR 2 938 618 - Al introduit un ressort spiral de torsion à raideur multiple qui inclut deux ressorts de torsion spirale ou plus dans un ressort enveloppe. Les coefficients de raideur des ressorts internes sont différents, ce qui permet par un choix judicieux de ces coefficients et des longueurs des ressorts internes, de paramétrer la dynamique de l'effort de rappel des ressorts ainsi que les forces à associer pour provoquer leur rotation. [6] Une cause principale qui limite l'utilisation du ressort de torsion spirale pour le stockage d'énergie c'est que Le couple fourni par tour est linéaire pour les premiers 360°. À des rotations angulaires plus importantes, les spires commencent à se fermer sur l'arbre et le couple par tour augmente rapidement. Par conséquent, les ressorts de ce type sont habituellement utilisés dans des applications nécessitant moins de 360° de rotation. [7] Cette invention propose un ressort plat de torsion spirale multi-feuilles (multilames), de manière à avoir des valeurs du couple égales ou proches d'une constante sur toutes les spires (tours) avec l'évolution de ses rayons du centre à l'extrémité. De plus, cela permet de rendre l'enroulement puis le déroulement plus 3 réguliers que dans des ressorts de torsion spirale classiques et, d'avoir une exploitation homogène pour plusieurs tours complets de 360°. [8] Dans la Figure 1, un ressort de torsion spirale est composé de plusieurs spires de rayons n différents, i varie de 1 à n (en acceptant que les spires sont approximativement rondes), où n est le nombre de spires (un nombre entier). D'après le guide d'ingénieur pour la conception de ressorts, imprimé en 1987 par « associated spring corporation », Pour chaque tour i du ressort, le Coefficient de raideur Ki est proportionnel au cube de l'épaisseur de la lame du ressort notée t, et à son module d'élasticité notée e, mais, il est inversement proportionnel à sa longueur. La longueur, dans le cas d'une lame ronde incurvée, est proportionnelle au rayon de sa courbe et à l'angle de rotation induit par un couple, ce qui peut se décrire par la relation suivante : [9] Ki = .e/(ri .0), [10] CI: est une constante qui dépend de la largeur de la lame. ti3: est le cube de ti (l'épaisseur de la lame au tour i). e : est l'angle de rotation. [11] Acceptons que le couple généré par le ressort de torsion spirale évolue linéairement avec l'évolution de e pour chaque tour. On peut donc accepter que le couple Ti s'exprime, d'après la loi de Hooke, sur un tour i du ressort par : [12] Ti = Ki .0, D'où : [13] Ti = Cr. t3 .e/ri [14] Soit GTi = t .e [15] T, peut être constante si la grandeur GT; est constante pour tout i. Cela montre qu'en augmentant l'épaisseur avec les rayons des tours, on peut maintenir la dernière grandeur GT; constante ou quasi constante le long de la lame du ressort (prenant en compte les approximations et les acceptations précédentes). Par conséquent : la variation du couple délivré par le ressort, d'un tour à un autre pourra être négligeable. [16] A titre d'exemple, pour un ressort de torsion spirale, plat, de quatre spires, pour maintenir GT; quasi constante, il faut que GT; = GT1 pour tout i et j des entiers entre 1 et 5, ce qui implique que : 4 [17] t? = t13 ..n [18] Donc l'épaisseur de la lame de la spire i doit respecter la dernière relation de ti en fonction de t1, ri et r1, pour avoir un couple quasi constant le long de toutes les spires du ressort, et, le ressort aura une forme ressemblante à celle donnée par la Figure 2 qu'on appellera « ressort de torsion spirale à épaisseur variable et constante par intervalles ». [19] Cette invention peut avoir une autre forme, où l'insertion des autres feuilles (lames) du ressort de torsion spirale à longueurs convenables avec un ressort de torsion spirale, pourra servir pour l'augmentation de l'épaisseur du ressort d'un tour à un autre (Figure 3). i.e. un ressort de n spires sera composé de n ressorts dont le ressort i est moins long d'un tour du ressort i-1 (i est un entier entre 1 et n, représente la spire centrale). A titre d'exemple, le ressort multi-feuilles, d'épaisseur variable et constante par intervalles, à quatre feuilles (ressorts) aura la forme représentée dans la Figure 3. Dans la Figure 4 on peut distinguer quatre épaisseurs différentes S4, S3, S2, S1, où Si représente une épaisseur résultante de la somme des épaisseurs de i ressorts. Cependant, les coefficients de raideur et le couple du ressort ne se soumettront plus aux relations précédentes de 7-1 et th et, le coefficient de raideur pour une épaisseur dépend directement de la somme des coefficients des ressorts composants cette épaisseur. Donc, par un choix judicieux des épaisseurs des ressorts on peut avoir un couple quasi constant sur toutes les spires du ressort. [20] De plus, un choix de la composition métallique des ressorts, comme l'introduction de matériaux composites, permet de réduire l'épaisseur des ressorts de torsion spirale sans réduire ni la capacité d'enroulement ni la rigidité, et d'avoir un coefficient d'élasticité e plus important. De plus, la réduction de l'épaisseur augmente la capacité d'enroulement et rend la fabrication du ressort moins difficile. Les matériaux composites ont un rapport résistance-poids élevé et une meilleure résistance par rapport à ceux de l'acier, ce qui peut augmenter la capacité de stockage d'énergie. [21] On peut citer les avantages principaux de cette invention pour un ressort à épaisseur variable et constante par intervalles. Le couple a une valeur presque constante sur toute la lame du ressort, donc un couple d'enroulement ou de déroulement quasi constant. L'effet d'avoir un couple quasi constant, distribue le stress le long de la lame du ressort d'une manière presque homogène et moins variante que dans un ressort de torsion spirale classique. Ensuite, les enroulements et les déroulements seront plus réguliers ce qui diminuera le frottement et augmentera la durée de vie du système du ressort. La fabrication de ce genre de ressort est beaucoup plus simple que des ressorts dont l'épaisseur de la lame varie d'une manière progressive et continue. [22] En plus des avantages du ressort précédent à épaisseur variable et constante par intervalles, ce ressort multi-feuilles de torsion spirale à épaisseur variable et constant par intervalles en a d'autres : La fabrication est beaucoup plus simple s'agissant de fabriquer plusieurs ressorts de torsion spirale classiques à longueurs convenables et de les assembler pour avoir un seul ressort à sections variables, exemple : Figure 3 et Figure 4. Ce ressort à multi-feuilles est plus souple, assez rigide, et plus élastique. [23] Le respect des espacements et des longueurs entre deux sections différentes consécutives pour le ressort de torsion spirale à épaisseur variable et constante par intervalles, est une exigence pour s'approcher de l'état optimal et non pas limitatif. Pareil pour le ressort multi-feuilles de torsion spirale à épaisseur variable et constante par intervalles, le respect des longueurs des ressorts composant le ressort global reste aussi une exigence et non pas limitatif. Les modifications des dernières longueurs hors les règles et les recommandations discutées précédemment peuvent modifier (plus tôt dégrader) les performances, cependant, le ressort va servir mieux qu'un ressort classique. [24] Bien entendu, les modes de réalisation, d'assemblage et de composition qui précèdent, sont donnés à titre d'exemples explicatifs non limitatifs ; d'autres modes de réalisation, d'assemblage et de compositions peuvent être conçu ou proposés par l'homme de métier ou d'autres sans sortir du cadre ou du sujet de la porté de la présente invention. 6