On l’a vu dans l'article précédent, le paramètre fonctionnel des assemblages vissés est la tension qu’on installe au serrage.
Cette tension sert à garantir :
- Le maintien des pièces serrées : non décollement et non glissement des interfaces
- Le filtrage des efforts extérieurs (tenue dynamique)
Obtenir un serrage le plus élevé possible est souvent l’objectif visé. Ce niveau de serrage ne doit cependant pas excéder les capacités statiques en tension (de la vis) et en compression des pièces serrées (rondelles, pièces serrées, joints d’étanchéité…).
En ce qui concerne les limites statiques d’un boulon ou d’un assemblage vis/taraudage, les concepteurs de bureaux d’étude font souvent en sorte d’avoir la vis qui soit le fusible en traction (rupture de la vis dans sa partie filetée tendue) et non la rupture (arrachement) des filets : je vous détaillerai les raisons ultérieurement.
Comment obtenir le niveau de tension voulu dans l’assemblage ?
En fait il n’y a pas qu’une méthode pour y parvenir, on distingue différentes méthodes :
- Le serrage au couple
- Le serrage combiné couple + angle, parfois abrégé sous le terme incomplet « serrage à l’angle »
- Le serrage à l’allongement
- Le serrage par dilatation thermique
- Le serrage par tensionnement
- Et d’autres variantes que j’aborderai dans un article dédié
Le serrage au couple est la méthode la plus utilisée, pour des raisons pratiques et économiques.
Le couple c’est quoi ?
On parle de couple lorsqu’on exerce un couple de deux forces de sens opposé de part et d’autre d’un axe de rotation de manière à faire tourner une pièce.
Quand vous serrez avec une clef (plate ou dynamométrique) vous exercez un couple sur l’élément entraîné (vis ou écrou). Ce couple est égal à la force exercée en bout de clef multiplié par une distance appelée bras de levier. Le couple s’exprime en N.m (des Newtons fois des mètres).
Lien entre couple appliqué et tension visée
Le couple permet donc d’introduire une tension dans la vis, mais qu’est-ce qui fait la relation entre le couple et la tension ?
Le serrage au couple a un rendement très faible : seulement 10 à 20% de l’énergie fournie est transformée en tension : le paramètre que l’on recherche. Cette part du couple transformée en tension est appelée couple utile.
Mais que deviennent les 80% restant ?
Ils sont perdus dans les frottements, et se répartissent quasiment à part égale dans les deux zones de frottement :
- Une partie est perdue dans les filets : on parle de frottement filets (µth : th pour thread)
- Une partie est perdue sous l’élément entraîné en rotation : la tête de vis ou l’écrou selon le cas de figure (µb : b pour bearing)
En fait quand vous serrez au couple, l’énergie que vous mettez en bout de clef est en grande partie perdue et sert à chauffer la pièce (oui, même si vous êtes de bons mécaniciens 😊).
Pour déterminer une consigne de serrage au couple, il faut connaître la relation couple / tension. Si on ne la connaît pas, on prend une hypothèse sur 80% de la relation, et donc c’est prendre le risque d’être sur serré ou sous serré.
La relation couple / tension : comment on la détermine ?
La relation couple / tension ne peut pas se calculer, il n’existe pas de formule magique.
Elle dépend :
- Des matériaux
- Des revêtements
- Des tailles des fixations et du filetage
- De la propreté des pièces / lubrification
- Etc
En fait il existe autant de relation couple / tension que de configurations.
Cependant elle peut se mesurer par essais pour une configuration donnée (notamment sur banc couple / tension : NF EN ISO 16047 pour les curieux je ferai un article sur le sujet), il suffit de prendre le boulon qu’on souhaite tester et d’avoir des zones de frottements identiques à l’application visée (serrer l’écrou sur de la peinture si c’est comme ça qu’est fait notre assemblage, mettre de la graisse etc…).
Ces essais permettent aux industriels de se constituer des bases de données facilement pour chacune de leur configurations critiques (configurations pour lesquelles une défaillance n’est pas autorisée).
Déterminer une consigne de serrage
Courbes couple / tension
Les courbes coupe tension ont souvent l’allure d’une droite, dans ces cas là on dit que le rendement du serrage est constant (ou indépendant du niveau de serrage).
Prenons l’exemple d’un boulon M10. Le bureau d’étude souhaite déterminer le couple à appliquer pour obtenir au moins 10 000 N dans le boulon. L’essai de serrage sur un boulon M10 a donné la droite d’essai couple / tension suivante :
On peut facilement donner le couple souhaité pour atteindre le niveau de tension voulu ?
Oui, si l’on veut atteindre au moins 10 000 N de serrage il faudra serrer le boulon à au moins 20 N.m.
Idéalement on essaye d’être au maximum du serrage, pour avoir de la sécurité par rapport à l’objectif mini (F0min = 10 000 N ici).
Mais on a oublié quelque chose : vous vous rappelez le domaine de serrage ? Il y a une limite à ne pas dépasser.
Quel couple limite pour notre boulon ?
Il faut tout de même faire attention à ne pas plastifier notre boulon (notre vis en l’occurrence puisque c’est elle qui doit être le fusible).
On fixe donc un niveau à ne pas dépasser, ce niveau correspond à un pourcentage de la résistance du boulon. Je vous épargnerai son calcul puisqu’il fait intervenir des phénomènes non évoqués pour le moment. Retenez simplement que la limite prend la forme de la courbe rouge sur le graphique et qu’elle est donnée pour un boulon M10 de classe 8.8.
Dans notre exemple, on pourrait appliquer jusqu’à 50 N.m au boulon (avant de risquer une plastification / un début d'endommagement du boulon).
Maintenant qu’on a la relation, sa limite haute et sa limite basse on a tout vous me direz.
Et non on n’a pas encore parlé du côté obscur du serrage au couple : la variabilité du rendement du serrage.
La dispersion du rendement du serrage
En général en mécanique, on se contente rarement de faire 1 essai unique. Car les valeurs qu’on cherche à mesurer sont souvent dispersives. On fait plusieurs essais pour pouvoir faire une moyenne et voir quelles valeurs minimales et maximales on pourrait obtenir.
C’est pareil avec le serrage, si vous prenez deux boulons d’une même configuration, vous n’aurez pas la même relation couple tension. Ceci est dû à la variabilité naturelle des frottements qui est le paramètre le plus dispersif en mécanique.
En pratique pour une configuration de boulons maîtrisés industriellement (càd avec une fabrication cadrée et suivie), on estime que la précision du serrage (précision sur la tension) est de +/-30 à 40% pour un couple donné.
Reprenons notre exemple, nous avons complété les essais avec une dizaine de boulons (boulons neufs à chaque fois). On ne retient que les courbes les plus éloignées, et la moyenne pour simplifier la compréhension.
Les résultats nous donnent une courbe minimale (orange), une courbe maximale (bleue) et une courbe moyenne (noire).
On voit que le couple de 50 N.m ne pourrait pas être utilisés, car on risquerait dans certains cas d’être en dehors des limites (courbe bleue).
En fait la courbe bleue (rendement le plus élevé) va nous donner le niveau maximal de serrage à ne pas dépasser : F0+ = 27 000 N pour 44 N.m. C’est le maximum qu’on puisse prendre ici.
On se place à 44N.m pour obtenir la valeur d'effort de serrage minimal sur la courbe orange (rendement le plus faible) : on obtient F0- =19 000 N.
Et du coup, on se retrouve avec une tension qui peut être comprise entre 27 000 N (courbe bleue) et 19 000 N (courbe orange). On peut aussi voir qu’en moyenne (dans la plupart des cas) nos boulons seront serrés à 22 000 N pour un couple de 44 N.m (courbe noire).
Dans notre exemple on a quand même de la marge par rapport aux 10 000 N visés puisque dans le pire des cas on serait à 19 000 N, quasiment le double.
Le serrage au couple ne permet pas d’être précis sur l'effort de serrage. Mais si l’on maîtrise bien l’assemblage et qu’on a fait des essais de serrage, on connaît le serrage minimum et maximum qu’on peut avoir et faire en sorte qu’il soit suffisant (non-décollement, non glissement et filtrage) et en dessous d’un maximum qu’on ne peut pas dépasser.
Dernier point : la précision sur le couple appliqué
Allez dernier point pour cet article, quand on applique un couple (avec une clef dynamométrique étalonnée), le couple réellement appliqué a une précision de l’ordre de +/-15% (cela dépend des types de clefs et de leur mode de déclenchement…).
Si vous avez déjà analysé un certificat d’étalonnage de clef dynamométrique cela pourra vous surprendre car vos clefs doivent être à 4 ou 6% maxi dans le pire des cas. Les étalonnages sont réalisés sur des bancs d’étalonnages et ne sont pas influencés par l’opérateur, le couple est appliqué dans des conditions optimales… d’où cet écart de variabilité.
Reprenons notre exemple pour intégrer cette variabilité sur l’application du couple :
- Le niveau maximal de serrage est le même que précédemment (F0+ = 27 000 N), il est associé au couple maximal donc C+ = 44 N.m
- Le couple moyen obtenu est donc 38 N.m (car 38 x1,15 ~ 44 N.m : le couple maximal est le couple moyen auquel on ajoute 15%)
- Le couple minimal est obtenu en retranchant 15% au couple moyen, ce qui nous donne C- = 32 N.m
- Le niveau de serrage minimal est obtenu en prenant le couple minimal C- sur la courbe orange … ce qui donne F0- = 13 700 N
On a donc un effort de serrage qui est compris entre 13 700 N et 27 000 N avec notre serrage par clef dynamométrique avec un couple de 38 N.m +/- 15%. Cela nous permet encore d'être au dessus des 10 000 N visés dans tous les cas, ce qui est l'objectif.
Si l’on diminue cette incertitude de 15% à disons 5% en faisant le même exercice (5% correspondrait à une visseuse industrielle asservie à 20 000€ / contre une clef dynamométrique à 200 €) on n’améliore pas vraiment la précision sur la tension (enfin pas autant qu’on a dépensé de sous…).
Pour résumer tout ce qu’on a vu :
- Le serrage au couple est une méthode de serrage, comme toutes les méthodes elle sert à introduire une tension dans la vis.
- La tension qu’on obtient dépend du rendement du serrage : le « mauvais » rendement étant dû aux frottements dans les filets et sous l’élément entraîné.
- La précision sur la tension est de l’ordre de +/- 30% si l’assemblage est maîtrisé industriellement.
- La précision sur la tension vient de la variabilité du rendement (frottements)
- La précision sur le couple appliqué n’a pas autant d’incidence que la maîtrise des frottements
Pour connaître la relation couple / tension on peut faire des essais de serrage comme expliqué, utilisé des résultats d’essais si l’on est dans une configuration maîtrisée (ce que font les bureaux d’études). On peut aussi faire des hypothèses sur les plages de frottements mais ce n’est pas conseillé pour des assemblages critiques.
Si vous avez déjà vu des tableaux de couples dits « standards » comme les posters dans les ateliers de mécaniques, et bien les couples sont justement calculés en prenant des hypothèses (les fameuses plages de frottement [0,1 ; 0,2] …) et un peu de sécurité. En gros on ne prend pas trop de risque sur le risque de rupture de la vis au serrage mais on e profite pas non plus d’un super serrage.
Note de la fin:
Dans de prochains articles je vous expliquerai pourquoi la limite du serrage n’est pas une droite et pourquoi elle a cette forme.
Je vous expliquerai aussi ce qui se passe quand on sert et ressert une fixation plusieurs fois de suite.
Dans les exemples pris en compte on a utilisé des valeurs comme 44 N.m ou 38 N.m ; en pratique on aurait fixé des valeurs arrondies à 5 ou 10 comme 40 et 45 N.m…et surtout jamais de virgules pour des couples de cet ordre.