"Source : Mecaniquons"
Les ressorts de soupape
Le calcul et le choix des ressorts de soupapes est un gage d'efficacité, mais également de fiabilité pour tout moteur perfo. Voici comment calculer les régimes critiques et monter les ressorts de telle manière que toutes les pressions soient équilibrées, évitant ainsi vibrations et affolement des soupapes, tout en favorisant la douceur d'utilisation et la longévité [...]
Les ressorts de soupapes ont pour rôle de maintenir la soupape solidaire de l'ensemble de la chaîne de distribution, afin d'avoir un diagramme d'ouverture conforme à ce que la came veut imprimer, donc rester dans la digne lignée de ce qui a été pensé, et ce pour avoir la puissance et le couple que l'on désire à partir de cet élément. Si tel n'est pas le cas, on obtient vibration ou désolidarisation de la soupape, ce qui donne des chutes de puissances, et dans certains cas, casse mécanique, la plupart du temps grave.
De plus, les ressorts doivent assurer la bonne fermeture de la soupape sur son siège, quand la soupape revient à sa position fermée, c'est à dire éviter le rebond sur le siège, rebond que l'on ne peut maîtriser que par quatre paramètres :
- la force de rappel du ressort de la soupape
- la nature du matériau du siège (le top étant les sièges au Berellium)
- la nature du carburant (le plomb étant un amortisseur, entre autre)
- le dessin de la came
Or, nous ne pouvons facilement intervenir que sur le seul paramètre ressort (le plomb n'est plus en vente, les sièges requièrent un investissement, et le dessin de la came n'étant pas des plus aisés, quoique faisable pour environ 800€)
Ressorts de soupapes (pied-moulé)
Analysons les ressorts :
Un ressort de soupape est un ressort hélicoïdal, dont les données sont le diamètre du fil, le nombre de spires, le diamètre extérieur et la longueur au repos.
A autres paramètres constants, on a les résultats suivants :
- plus le diamètre du fil augmente, plus il est dur
- plus il a de spires, plus il est mou
- plus le diamètre extérieur est grand, plus il est mou
- Plus il est long, plus il est dur…. Mais ça dépend comment on le fait travailler.
De plus interviennent la nature de l'acier, sa fabrication et le soin. Pour faire simple, sans ennuyer tout le monde, les ressorts sont fabriqués sur des tours à partir de fil qu'on roule, puis trempe (pour leur donner leur élasticité), puis revenus (pour éviter qu'ils soient cassants). Enfin, s'ils sont bien faits, ils sont bloqués (on dit abloqué) en spires jointives, pour vérifier qu'ils ne sont pas cassants. Ils sont par la suite préparés, nettoyés, puis finis pour être mis à votre disposition.
Dès maintenant, des soucis interviennent. Deux ressorts de la même série, faits dans la même barre d'acier et roulés sur le même tour, n'auront pas tout à fait les mêmes caractéristiques, au strict sens du terme, mais nous y reviendront, et verront comment faire pour avoir ce que l'on veut, à savoir la même force à la levée maxi, pour éviter tout contact destructeur.
afin d'éviter ceci
Les caractéristiques du ressort :
A ressort donné, on connaît sa longueur et son diamètre. A partir de là, on peut déterminer sa dureté. C'est ce qui définit qu'il soit plus ou moins dur. On définit la dureté comme étant la force (en Newton, et 1kg = 9,81N) à appliquer pour une diminution de longueur de 1millimètre (en unité internationale, et pour les calculs, nous prendrons le mètre, même si c'est irréalisable dans les faits). On a alors la force de rappel du ressort qui est donnée par la formule
F=k.l, avec k la dureté et l la longueur de compression.
Prenons par exemple le ressort GB273A :
Berg donne 160 lbs à 1.500pouces
290 lbs à 1 pouce (1lb = 0,454kg = 4,45N et 1pouce = 25,4mm)
Donc 712N à 38,1mm
1290,5N à 25,4mm
Alors k= (1290,5-712)/(38,1-25,4) = 45,5N/mm
Donc il faut appliquer 45,5N pour 1mm d'enfoncement du ressort (soit environ 4,64kg pour 1mm)
Et il en va de même pour tous les ressorts, simples ou doubles...
Une remarque : avec des ressorts simples, on ne peut pas dépasser une certaine dureté, et on est parfois contraint d'en mettre deux, voir trois, concentriques, ce qui est bénéfique pour sur le plan des résonances, mais nous y reviendrons. Dans le cas de ressorts multiples, les spires sont enroulées à contre sens les uns des autres pour éviter tout emmêlement. Dans le cas de triples, le troisième est pat, coincé entre le premier et le second.
remarque : même sur des ressorts d'excellente facture comme les GB272 (qui sont produits par Vasco), Berg donne une force de rappel de 440 à 450 lbs quand ils sont comprimés à 0,980pouce. Dans les faits on n'obtient jamais exactement la même dureté, ou alors, il faut en essayer 500 ou 1000 pour arriver à un écart de 0.5% !
Comment les installer :
1 - Déterminer leur dureté : on mesure leur longueur à vide, au repos, puis on met une charge (en général 10kg = 98N) dessus et on mesure l'enfoncement, notez le (aussi précisément que possible) et on a alors la dureté k=98/e (en N/mm). On en a donc 8 différentes (parce que 8 ressorts) ! !
2 - on les bloque en spires jointives (à l'aide d'un étau ou d'une presse) et on vérifie qu'ils ont tous la même longueur lorsqu'ils sont dans cette position (notons là l)
3 - longueur à pleine levée. On prend l et on rajoute entre 1,4 et 3mm (attention, en dessous de 2,5mm avant les spires jointives, il faudra être très précautionneux sur la maintenance)
4 - on mesure la distance entre la portée du ressort sur la culasse et la coupelle et on cale le ressort le plus faible de telle manière qu'il soit à 3mm des spires jointives à pleine levée, déterminée par l'arbre à cames et les culbus.
5 - On calcule la force de rappel du plus faible avec la formule
F=k.(L0-L)
k la dureté
L0 la longueur au repos du ressort
L longueur du ressort abloqué + 3mm + épaisseur de cales
6 - on ajuste les autres ressorts de telle manière que leur force de rappel soit identique au premier, qui est le plus faible. Au passage, l'épaisseur de cales pour les autres ressorts doit être inférieure si toutes les portées que les culasses sont identiques, et si toutes les queues de soupapes sont à la même hauteur (obligatoire, sinon, on ne peut pas faire une géométrie de culbus correcte, sauf dans le cas de montages mixtes entre 1,1 et 1,25, mais j'en déconseille l'usage aux non-spécialistes).
Remarque :
Si on n'a pas la place de caler, il y a deux solutions :
- Refaire les portées des ressorts, en les descendant, mais attention de ne pas déboucher dans les conduits, et il doit rester une épaisseur suffisante pour éviter tout dommage à l'usage (usure de la portée et trou dans le conduit !)
- Ré usiner les portée de soupapes, ce qui d'ailleurs est bénéfique pour le flux et la vitesse, si on descend de 2,5mm la portée ( c'est une valeur fixe, moins, ce n'est pas top, plus, il ne reste pas assez de siège), et ce avec un 3 angles tant qu'à faire.
Recommandations :
- les cales sous les ressorts évitent le matage de l'alu des culasses, surtout si on est un peu juste en dureté (risque de résonance)
- le ressort, en se comprimant, augmente de diamètre, donc faire un usinage serré est avantageux, toujours dans le même cas
- faire attention, qu'à la pleine levée, les coupelles et les demi-lunes ne viennent pas en butée sur le guide de soupape. Si tel est le cas, il faudra diminuer la longueur du guide. Le jeu idéal est de 2,5mm entre les demi-lunes et la coupelle d'une part et le guide de l'autre, à la levée maxi. Plus ne sert à rien, et diminue la longueur de guidage de la soupape, ce qui amène à long terme à une usure exagérée.
L'affolement de soupapes :
L'affolement d'un ressort, appelé résonance en physique, se produit lorsque sous une certaine sollicitation, le ressort se met à vibrer en phase avec son excitation, amplifiant les mouvements. Ce cas n'arrive jamais sur un moteur à explosion. Il faudrait qu'il tourne à des régimes fous, nous le verrons plus tard, mais une résonance partielle, elle, peut arriver.
Voyons cela :
On a la relation suivante :
fp= squ(k/m)
Avec fp= fréquence propre, la fréquence de résonance du ressort (en Hz)
Squ la racine carrée
k la dureté(en N/m, avec 1N/mm=1000N/m)
m la masse de la distribution(en kg)
La masse de la distribution regroupe le poussoir, la soupape, la coupelle, les demi-lunes, et un tiers du ressort.
Prenons notre GB273A
k=45,5N/mm=45500N/m
m=0,250kg (valeur approximative, à vous de peser plus précisément)
alors fp=426hz
Donc il faudrait que la soupape s'ouvre 426 fois par seconde, ce qui correspond à un régime moteur N = 2*60*fp = 51120 tours par minute ! ! ! ! !
(2 car la soupape ne s'ouvre que tous les deux tours et 60 pour convertir de seconde en minute.)
AVIS AUX AMATEURS !
De même, si on veut avoir (si j'ose dire) l'affolement complet à 8000 tours par minute avec le GB273A, il faut une masse de la distribution qui est m=k/(fp.fp)
N= 8000 tours par minute, donc fp=68Hz
Alors m=45500/(67*67) = 10,136kg
Il va falloir alourdir la distribution pour tout casser !
Cependant, si on en restait là, il n'y aurait aucune crainte à avoir, mais ce n'est pas le cas. En effet, sous la sollicitation de l'arbre à cames en ouvrant et en fermant les soupapes, il se peut qu'une partie du ressort se mette à vibrer (une partie et pas tout le ressort !)
On a alors les régimes harmoniques, notés h1, h2, h3, …. Qui sont les régimes obtenus en divisant le régime d'affolement calculé plus haut par 1, 2, 3, ….(le régime d'affolement est celui qui correspond à la fréquence propre). Il faut se débrouiller pour que les harmoniques jusqu'à 6 (voire 7 pour certains spécialistes) soient hors de la plage d'utilisation du moteur.
Sur notre GB 273, h6 correspond à 51120/6 = 8520 tours par minute.
Sur ce ressort, on est donc un peu juste pour schifter à 8500rpm !
Enfin, il ne faut pas oublier que le ressort est là aussi pour que la soupape reste collée à la chaîne de distribution.
Du plus lourd au plus léger : coupelles Chromoly, alu puis titane
Enfin, un dernier conseil : Si vous remplacez un modèle de ressort par un autre, vérifiez qu'il a au moins la même dureté.
Les Techniques de fabrication
Un ressort est un élément de mécanisme qui peut revenir à son état initial après avoir subi une déformation relativement importante.
Définition
Une liaison est élastique lorsque, dans une direction au moins, elle provoque, directement ou indirectement la déformation d'un élément élastique.
Une liaison élastique est toujours partielle.
Il existe différentes désignations de ressort ; cylindrique de compression à spires d'extrémités rapprochées c'est à dire ceux de nos soupapes, conique en volute, cylindrique de traction, cylindrique à action angulaire à droite, spiral, à lame avec œils et bride utilisée notamment sur certains véhicules (203 Peugeot etc…) pour constituer l'élément élastique de la suspension, etc…
Dans notre cas ce qui nous intéresse c'est donc le ressort cylindrique de compression.
Il doit être guidé à ses extrémités et de préférence par son diamètre intérieur.
Suivant le mode de guidage, on indiquera : soit le diamètre intérieur Di, soit le diamètre extérieur De.
La surface d'appui est la base dressée, P est le Pas, L longueur du ressort de base à base.
Dans le milieu industriel le dessinateur/concepteur se doit d'informer sur :
· Diamètre du fil d =
· Diamètre intérieur Di =
· Hauteur L1 ______ sous charge P1
· Hauteur L2 ______ sous charge P2
· Pas P=
· Nombre de spires n=
· Longueur libre L=
· Longueur développée =
· Matière :
Le sens d'enroulement n'est indiqué que s'il est fonctionnel.
Longueur libre L = (n X P) + 1.5d
Longueur développée environ = n X Pi (Di + d)
Pas P = L - 1.5d / n
Sens d'enroulement
Le sens d'enroulement doit être indiqué dans le cas de deux ressorts concentriques. On évite ainsi le chevauchement éventuel des spires des ressorts.
En outre, un tel montage présente l'avantage de supprimer pratiquement la sollicitation à la rotation des pièces d'appui.
Pour un ressort employé seul le sens d'enroulement n'est pas fonctionnel.
Fils rond pour ressorts (jusqu'à 0.8mm de diamètre les extrémités des ressorts sont généralement seulement rapprochées.)
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Sujet: Les ressorts de soupape 
Jeu 14 Oct - 14:32
