torsion

La torsion est la contrainte mécanique produite lorsqu'une extrémité d'un composant est tordue par rapport à l'autre, créant des forces de cisaillement internes le long de sa longueur. Contrairement à la traction ou à la compression, qui agissent le long d'une ligne droite, les forces de torsion s'enroulent autour de l'axe de la pièce. Un arbre tournant sous charge, un boulon en cours de serrage ou un fil essoré subissent tous de la torsion. Le matériau résiste à cette torsion avec une force de rappel qui tente de ramener le composant à son état d'origine, non tordu.

L'amplitude de la contrainte de torsion dépend de trois facteurs: le couple appliqué (mesuré en newton-mètres), la longueur de la section tordue et le moment d'inertie polaire du composant, qui décrit la répartition du matériau autour de son axe. Un arbre circulaire plein et un tube creux de même diamètre extérieur gèrent la torsion très différemment, car la géométrie de leur section transversale modifie la façon dont ils distribuent cette contrainte interne. Les sections rectangulaires, les barres plates et les tubes à paroi mince développent toutes des modèles de contrainte différents lorsqu'elles sont tordues, c'est pourquoi les ingénieurs doivent calculer les propriétés de torsion séparément pour chaque forme.

La défaillance par torsion se manifeste généralement par une fissuration par cisaillement qui s'enroule en spirale le long du composant à environ 45 degrés par rapport à l'axe. Les matériaux ductiles comme l'acier doux ont tendance à céder par cisaillement et peuvent présenter une déformation permanente significative avant de se rompre. Les matériaux fragiles comme la fonte se fracturent soudainement avec peu d'avertissement, souvent avec un motif de rupture en spirale caractéristique. La défaillance par fatigue se produit lorsque les charges de torsion se répètent cycliquement, comme dans les machines tournantes, et les fissures s'amorcent aux concentrations de contraintes comme les rainures de clavette ou les angles vifs.

Rigidité et amortissement en torsion

La quantité de torsion d'un arbre sous charge est régie par sa rigidité en torsion, définie par le rapport du couple appliqué à la déflexion angulaire. Un arbre rigide dévie à peine de la ligne droite; un arbre faible se tord de manière notable. Dans la transmission de puissance, une déflexion torsionnelle excessive provoque un désalignement des composants couplés, accélère l'usure des roulements et crée des vibrations. Les matériaux amortisseurs ou les accouplements élastomères absorbent l'énergie de torsion et réduisent les charges de choc, ce qui est essentiel dans les systèmes où le couple augmente soudainement, comme les transmissions par engrenages ou les ensembles volant moteur.

La torsion apparaît dans toute la conception mécanique partout où il y a un mouvement de rotation: les arbres de moteur, les arbres de transmission, les forets, les vis et les barres de torsion dans les suspensions de véhicules dépendent tous d'un comportement torsionnel contrôlé. Le terme vient du latin torquere, qui signifie tordre. Les ingénieurs doivent distinguer la torsion des autres modes de chargement, car les critères de défaillance, la sélection des matériaux et les approches de conception diffèrent considérablement. Un composant qui gère bien la contrainte de traction peut être faible en torsion si sa section transversale est mal choisie.