Conception d'application de ressort en alliage de titane pour locomotive
L'alliage de titane à haute résistance est l'un des meilleurs matériaux candidats pour la préparation de ressorts aéronautiques. La première application des ressorts en alliage de titane a commencé en 1970, lorsque McDonnell Douglas a utilisé des ressorts en alliage Ti-13V-11Cr-3Al dans l'avion gros-porteur DC-10, principalement dans les ressorts de verrouillage du nez et du train d'atterrissage principal, ainsi que dans les ressorts de commande de l'élévateur et des ailerons.
En 1971, RMI a inventé l'alliage de titane métastable Beta-C (TB9). En plus d'une résistance élevée et d'un faible module, l'alliage présente également d'excellentes propriétés de traitement à froid et peut être facilement transformé en fil à ressort. L'alliage de titane TB9 a progressivement remplacé l'alliage Ti-13V-11Cr-3Al difficile à traiter et a été utilisé comme ressort d'équilibrage pour la porte de cabine de l'avion à fuselage étroit Boeing 757, réduisant le poids jusqu'à 66,6 %. Plus tard, les ressorts en alliage de titane TB9 ont également été utilisés sur les Boeing 777, Airbus A330, A340 et d'autres modèles.
Outre le domaine de l'aviation, les alliages de titane présentent également de nombreux avantages et exemples d'application dans les ressorts de locomotive. Premièrement, l'alliage de titane présente une excellente résistance à la corrosion, ce qui peut réduire le processus complexe de traitement anticorrosion, en particulier dans les environnements difficiles, et peut assurer le service stable à long terme des ressorts et réduire les coûts de maintenance des véhicules. Deuxièmement, la densité de l'alliage de titane n'est que d'environ 60 % de celle de l'acier, et le module d'élasticité et le module de cisaillement de l'alliage de titane sont environ la moitié de ceux de l'acier. Le nombre effectif de bobines requis pour la conception des ressorts en titane n'est que la moitié de celui des ressorts en acier, de sorte que la réduction de poids théorique peut atteindre environ 70 %. Selon les exigences réelles de charge et d'assemblage des ressorts de locomotive, l'utilisation de ressorts en alliage de titane peut réduire le poids de 40 à 60 %. La réduction du poids des ressorts peut non seulement économiser de l'énergie et augmenter le kilométrage du véhicule, mais également contribuer à améliorer la flexibilité et la maniabilité du véhicule.
De plus, les ressorts en alliage de titane ont également de bonnes caractéristiques d'amortissement. Moins d'énergie est nécessaire pour l'accélération et la décélération pendant le mouvement. Un poids plus faible ou moins d'énergie peut provoquer une déformation élastique, ce qui rend le mouvement sous charge plus fluide et plus contrôlable. À l'heure actuelle, de nombreuses motos et vélos utilisent des ressorts en alliage de titane de résistance moyenne (TC4) pour remplacer les ressorts en acier, principalement en raison des bonnes caractéristiques d'amortissement des ressorts en alliage de titane, ce qui améliore le confort dans des conditions de route cahoteuses.
En même temps, de nombreux détails doivent être pris en compte lors de la conception des ressorts en alliage de titane. Par exemple, la norme de conception de ressorts actuelle GB/T 23935-2009 « Conception et calcul des ressorts hélicoïdaux cylindriques » vise principalement les ressorts en acier, et l'angle d'hélice du ressort varie de 5 degrés à 9 degrés. Cependant, les ressorts en alliage de titane ont un faible module d'élasticité et un faible module de cisaillement, un petit nombre de spires efficaces et un angle d'hélice souvent supérieur à 9 degrés. Les normes et formules de calcul existantes ne peuvent pas répondre aux exigences de conception des ressorts en alliage de titane, et la formule de calcul de la rigidité doit être modifiée.