L’effort de serrage est le paramètre fonctionnel des assemblages vissés précontraints.
Il permet de garantir :
- Le non-décollement des interfaces
- Le non-glissement des interfaces
- Le filtrage et la tenue dynamique
Le non-glissement, comment ça marche ?
Le coefficient d’adhérence ou coefficient de frottement à l'interface
Vous avez déjà essayé de faire glisser une gomme posée sur votre bureau ?
Il faut fournir un certain effort pour mettre en mouvement la gomme.
On dit qu’il y a des forces de frottements entre le bureau et la gomme, c’est-à dire que lorsque la gomme est en contact avec le bureau, il y des forces qui s’opposent à leur mise en mouvement relative.
Faites le même exercice mais appuyez sur la gomme en même temps.
Résultat ? C’est encore plus dur de faire glisser la gomme.
Dans le premier exemple la force de contact n’était pas élevée puisque la gomme est seulement soumise à son propre poids pour appuyer sur le bureau.
Dans le deuxième exemple la force de contact est plus importante puisqu’on ajoute quelques kilogrammes d’appuis sur la gomme.
On définit le coefficient d’adhérence entre deux pièces comme étant le rapport entre la force transversale pour faire glisser la pièce et l'effort d’appui appliqué.
De manière générale, plus l’effort d’appui est important et plus il faudra un effort important pour faire glisser les pièces.
Maintenant essayez de mettre de l’huile entre votre gomme et le bureau : à votre avis çà sera plus dur de faire glisser la gomme ?
Plus facile en effet, le lubrifiant à l’interface facilite généralement le glissement.
Le coefficient de frottement dépend de beaucoup de paramètres :
- Matériaux en contact
- Etat de surface des matériaux (rugosité, planéité)
- Propreté des matériaux (lubrification, dégraissage…)
- Présence de revêtements (peinture, chromage, galvanisation…)
- Et parfois de l’effort de contact ou plutôt de la pression de contact (rapport entre l’effort de contact et la surface de contact).
Pourquoi je vous explique tout ça ? Revenons à nos boulons.
Application aux assemblages vissés
En serrant un boulon, on le met en tension… et on met les pièces en compression.
Comme on comprime les pièces les unes par rapport aux autres on va créer une pression entre les pièces et il sera difficile de mettre les pièces en mouvement les unes par rapport aux autres.
La pression est surtout élevée dans la zone où les pièces sont comprimées, c’est-à-dire dans une zone proche du boulon. On parlera de zone d’influence où s’exerce l’adhérence à l’interface.
L’effort maximal que l’on pourra transmettre sans risquer de glissement entre les pièces correspond à l’effort de serrage multiplié par le coefficient d’adhérence à l’interface.
L’effort que l’on peut transmettre (transversalement) par adhérence est inférieur à l’effort de serrage.
Exemples d’assemblages précontraints qui fonctionnent par adhérence
Vous avez tous dans votre entourage des assemblages qui fonctionnent par adhérence.
Prenez vos roues de voiture ! Lorsque vous appuyez sur l’accélérateur ou sur la pédale de frein votre assemblage de roue doit transmettre l’effort moteur ou l’effort de freinage sans qu’il y ait de glissement (en rotation ici) entre les pièces.
Par exemple quand on freine, l’effort (*) est exercé sur le disque et tend à ralentir le véhicule comme il y a adhérence entre la roue et le sol. Cet effort de freinage tend à faire glisser le disque par rapport au moyeu et à la roue.
Les vis de roues viennent comprimer la roue sur le disque qui lui-même est comprimé sur le moyeu (le moyeu est taraudé en général). Il y a donc un empilement de pièces qui adhèrent les unes par rapport aux autres.
(*) on parle généralement de couple moteur ou de couple de freinage selon la phase étudiée. Ce couple peut être en général ramené à un effort tangentiel équivalent sur chaque vis (vous connaissez le couple et le diamètre d’implantation des vis). Vous comprendrez donc que plus les vis sont excentrées (diamètre) et plus l’effort à transmettre par adhérence est faible. Même réflexion avec le nombre de vis et l’effort de serrage. L’effort de serrage est en général déjà au maximum, c’est pourquoi certains constructeurs automobiles augmentent le nombre historique de 4 vis par roue à 5…
Capacité d’un assemblage simple à transmettre un effort par adhérence
Reprenons l’assemblage M6 que l’on avait utilisé dans l’article sur la résistance dynamique pour soulever des pierres et les transporter d’un point A à un point B.
L’utilisation de l’outillage a changé et l’effort est maintenant appliqué transversalement au boulon. L’effort à transmettre transversalement est de 900 N.
Le bureau d’étude a fait des essais couple / tension et a défini un couple de 8 N.m pour être serré au maximum des capacités du boulon. Avec ce couple on se retrouve avec un effort de serrage compris entre 4 900 et 9 400 N.
L’effort qu’on peut transmettre est égal au coefficient d’adhérence entre les pièces, multiplié par l’effort de serrage minimal : on se place dans le pire des cas pour ne pas risquer de glissement entre les pièces.
Le bureau d’étude effectue des recherches sur internet et ne sait pas vraiment quelle valeur utiliser pour le coefficient d’adhérence.
Les pièces serrées sont réalisées dans un acier couramment utilisé en usinage (42CrMo4) et pour ce matériau plusieurs valeurs sont trouvées sur internet allant de 0,1 à 0,3.
Le bureau d’étude fait le choix d’utiliser une valeur de 0,2 qui est souvent utilisée quand on ne sait pas trop et qu’on ne veut pas prendre trop de risque…
Avec µ int = 0,2 : on obtient Ft,maxi = 980 N
On ne risque donc pas de glissement, mais la marge n’est pas très élevée.
Comment transmettre plus d’effort par adhérence ?
Pour transmettre plus d’effort on peut jouer :
- Sur l’effort de serrage (ici on est déjà au maximum)
- Sur le nombre de vis (plus il y a de vis plus l’effort global à transmettre peut-être important, comme pour les roues de voiture)
- Sur le coefficient adhérence
Une préparation spécifique des pièces (des surfaces) peut aider à avoir un meilleur coefficient d’adhérence. Certains industriels vont même jusqu’à l’utilisation de cales diamantées qui se crantent à l’interface entre les pièces (Friction Shim 3M, Friction Insert Freudenberg).
Pour les bricoleurs : quand on assemble des pièces il faut faire attention à la propreté des surfaces, parfois les pièces peuvent être grasses (huile de coupe d'usinage, graisse de montage...) il est conseillé de dégraisser les interfaces avant remontage.
Admettons que pour notre exercice la valeur de µ int = 0,2 corresponde à un état ou les interfaces sont dégraissées. Comment faire mieux ?
On pourrait venir sabler la surface (créer de la rugosité). Avec un bon dégraissage et un bon sablage, cela permettrait d’améliorer le coefficient d’adhérence peut être jusqu’à 0,3 et de transmettre non plus 980 N mais 1470 N dans le pire des cas. Mais comment en être sûr de ces valeurs?
Caractérisation du coefficient d’adhérence à l’interface.
Quand les hypothèses sont très importantes (on dit qu’elles sont d’ordre 1), il est conseillé de faire des essais pour vérifier qu’elles sont bonnes.
Il existe principalement un essai normé pour réaliser des essais d’adhérence : il s’agit de l’essai utilisé par le domaine de la construction métallique (EN 1090-2 – Annexe G).
Certains industriels ont recours à des essais à façon sur les pièces ou sur des éprouvettes représentatives pour déterminer le coefficient adhérence. Le principe de l’essai est toujours le même, on fait glisser les pièces les unes par rapport aux autres (sur machine de traction par exemple) pour connaître l’effort que l’assemblage peut transmettre avant de glisser. Le glissement se détermine par des méthodes graphiques (courbe effort transversal et déplacement entre les pièces).
Ces méthodes imposent de connaître précisément l’effort de serrage (tension) pour remonter au coefficient d’adhérence. Cela impose d’instrumenter les boulons (jauges) ou de faire de la mesure échographique ultrasonore.
Des recherches sont en cours pour créer un essai simplifié qui devrait être normé dans quelques années. Ces travaux ont démarré avec le constructeur automobile ex PSA qui a déposer un brevet pour un banc d'essai simplifié en 2014. Je ferai surement un article sur le sujet plus tard.
Perte d’adhérence : que se passe-t-il
Je n’ai pas cessé de vous le répéter, il ne faut jamais de glissement entre les pièces dans un assemblage vissé précontraint (quand il y a du jeu entre la vis et le trou de passage).
Si l’on perd l’adhérence à l’interface, les pièces vont glisser les unes par rapport aux autres jusqu’à ce que la vis soit en contact avec les trous de passage des pièces (càd un glissement qui peut représenter quelques millimètres parfois).
Si l’on perd l’adhérence une fois (par exemple sur un effort exceptionnel), et que l’effort transversal est toujours appliqué dans la même direction l’effort finira par être transmis par cisaillement de la vis. Cependant les pièces ont glissé les unes par rapport aux autres et cela peut poser des problèmes d’interférence avec d’autres pièces (l’assemblage ne remplit plus sa fonction de maintien en position des pièces serrées).
La situation la plus problématique est lorsque le glissement se produit dans un sens puis dans l’autre parce que les efforts peuvent changer de direction (c’est le cas pour une roue de voiture par exemple entre le freinage et l’accélération). En effet lorsque le glissement est répété et alterné, cela va créer rapidement du dévissage (la fixation tourne par rapport à l’écrou ou au taraudage) et donc du desserrage. Cela peut conduire rapidement à la perte de la fixation ou à des problématiques comme une rupture en fatigue…
On abordera plus spécifiquement le dévissage dans un prochain article 😊
Synthèse :
Le coefficient d’adhérence est d’ordre 1 pour le dimensionnement d’un assemblage précontraint qui doit transmettre des efforts par adhérence.
Pour améliorer l’adhérence on peut :
- Améliorer la propreté des pièces et leur état de surface
- Améliorer l’effort de serrage
- Augmenter le nombre de vis
- Excentrer les vis si les efforts tendent à faire glisser les pièces en rotation
Le coefficient d’adhérence peut s’estimer si on a un assemblage non critique (données de frottement sur internet...) ou se mesurer si besoin.
Je n’en ai pas parlé dans cet article mais comme pour le rendement du serrage, le coefficient d’adhérence est dispersif. Il faut donc réaliser plusieurs essais et prendre la valeur minimale pour dimensionner (effort minimal de serrage et coefficient d'adhérence minimal).
Comments