Qu'est-ce que la force de serrage ?<\/h3>\n
La force de serrage, \u00e9galement appel\u00e9e pr\u00e9charge ou tension du boulon, est la force d'\u00e9tirement cr\u00e9\u00e9e dans une fixation lorsqu'elle est serr\u00e9e. Il est important de savoir que cette force est diff\u00e9rente du couple, qui est simplement l'effort de rotation appliqu\u00e9 \u00e0 la fixation. La force de serrage se produit lorsque ce couple surmonte la friction et \u00e9tire le boulon comme un ressort rigide. Cette \u00e9nergie \u00e9lastique stock\u00e9e cr\u00e9e la charge de serrage sur les pi\u00e8ces de l'articulation. La mani\u00e8re dont cela fonctionne d\u00e9pend de la situation :<\/p>\n
- \n
- Joints boulonn\u00e9s :<\/strong> Il permet de s'assurer que l'articulation peut supporter des charges lat\u00e9rales et de traction sans glisser ou se d\u00e9solidariser, ce qui \u00e9vite les d\u00e9faillances dues \u00e0 la fatigue.<\/li>\n
- Moulage par injection :<\/strong> Il maintient les deux moiti\u00e9s d'un moule ferm\u00e9es contre l'\u00e9norme pression du plastique fondu, \u00e9vitant ainsi les d\u00e9fauts tels que la bavure.<\/li>\n
- Maintien en position de travail :<\/strong> Il maintient fermement la pi\u00e8ce \u00e0 usiner, emp\u00eachant tout mouvement pendant les op\u00e9rations d'usinage \u00e0 forte intensit\u00e9, ce qui est essentiel pour la pr\u00e9cision des dimensions.<\/li>\n
- Soudage :<\/strong> Il maintient les pi\u00e8ces align\u00e9es avec pr\u00e9cision et en contact \u00e9troit, garantissant une fusion correcte et r\u00e9duisant le gauchissement.<\/li>\n<\/ul>\n
L'importance de la pr\u00e9cision des tests<\/h3>\n
Il est absolument n\u00e9cessaire de mesurer correctement la force de serrage, car une force trop faible ou trop forte entra\u00eene des d\u00e9faillances. Une charge de serrage incorrecte est un d\u00e9faut cach\u00e9 qui ne demande qu'\u00e0 se manifester.<\/p>\n
Une force insuffisante est l'une des principales causes de d\u00e9faillance des joints. Elle peut entra\u00eener le glissement du joint sous des charges lat\u00e9rales, des fuites de fluide ou de gaz dans les raccords \u00e9tanches, un desserrage d\u00fb aux vibrations et, dans le moulage, mat\u00e9riel co\u00fbteux<\/a> les d\u00e9chets par le biais d'un solin de moisissure.<\/p>\n
D'un autre c\u00f4t\u00e9, une force excessive est tout aussi dommageable. Elle peut provoquer une d\u00e9faillance imm\u00e9diate en arrachant les filets ou en cassant la fixation elle-m\u00eame. Plus sournoisement, elle peut surcharger le boulon au-del\u00e0 de sa limite d'\u00e9lasticit\u00e9, le faisant c\u00e9der et perdre sa capacit\u00e9 \u00e0 maintenir la pr\u00e9charge. Elle peut \u00e9galement endommager les pi\u00e8ces serr\u00e9es, en \u00e9crasant les mat\u00e9riaux tendres ou en d\u00e9formant les brides, et exercer des contraintes inutiles sur les machines, entra\u00eenant une usure pr\u00e9matur\u00e9e.<\/p>\n
Feuille de route pour les articles<\/h3>\n
Cet article vous donne un cadre complet pour comprendre et mettre en pratique les tests de force de serrage. Nous explorerons d'abord les les principes physiques de base qui r\u00e9gissent la relation entre le couple<\/a>Nous comparerons ensuite les diff\u00e9rentes m\u00e9thodes d'essai, du simple contr\u00f4le du couple aux techniques de mesure directe tr\u00e8s pr\u00e9cises. Nous comparerons ensuite les diff\u00e9rentes m\u00e9thodes d'essai, des simples contr\u00f4les de couple aux techniques de mesure directe tr\u00e8s pr\u00e9cises. Nous d\u00e9taillerons ensuite les facteurs critiques qui affectent la pr\u00e9cision et fournirons un guide pratique pour la lecture des donn\u00e9es d'essai et la r\u00e9solution des probl\u00e8mes courants.<\/p>\n
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Physique de la force de serrage<\/h2>\n
Une bonne compr\u00e9hension de la force de serrage commence par les principes physiques et m\u00e9caniques sous-jacents. Sans cette base, les essais deviennent une proc\u00e9dure de bo\u00eete noire et le d\u00e9pannage est r\u00e9duit \u00e0 des suppositions. En comprenant les m\u00e9canismes de cr\u00e9ation de la force, les ing\u00e9nieurs peuvent prendre des d\u00e9cisions intelligentes sur la conception des joints, la strat\u00e9gie de serrage et la s\u00e9lection des m\u00e9thodes d'essai.<\/p>\n
Couple, tension et force<\/h3>\n
La m\u00e9thode la plus courante pour serrer une fixation consiste \u00e0 appliquer un couple sp\u00e9cifique. Cependant, la relation entre ce couple d'entr\u00e9e et la force de serrage r\u00e9sultante (tension du boulon) est tr\u00e8s variable et indirecte. La majeure partie du couple appliqu\u00e9 ne contribue pas \u00e0 la pr\u00e9charge utile. Il est utilis\u00e9 par la friction. La relation est contr\u00f4l\u00e9e par cette simple \u00e9quation :<\/p>\n
`F = T \/ (K * D)`<\/p>\n
- \n
- F :<\/strong> Pr\u00e9charge du boulon \/ Force de serrage. Il s'agit de la force d'\u00e9tirement du boulon, qui est \u00e9gale \u00e0 la force d'\u00e9crasement de l'articulation.<\/li>\n
- T :<\/strong> Couple appliqu\u00e9. La force de rotation appliqu\u00e9e \u00e0 l'\u00e9crou ou au t\u00eate de boulon<\/a>.<\/li>\n
- K :<\/strong> Facteur d'\u00e9crou (ou coefficient de frottement). Il s'agit d'un nombre sans unit\u00e9 qui combine toutes les variables de frottement et de g\u00e9om\u00e9trie de l'articulation.<\/li>\n
- D :<\/strong> Diam\u00e8tre nominal du boulon.<\/li>\n<\/ul>\n
La variable critique ici est le facteur d'\u00e9crou, K. Il tient compte du frottement \u00e0 deux endroits principaux : entre les filets du boulon et de l'\u00e9crou, et entre l'\u00e9crou tournant ou la t\u00eate du boulon et la surface serr\u00e9e. La r\u00e9alit\u00e9 choquante pour beaucoup est que le frottement absorbe une part \u00e9norme du couple appliqu\u00e9. En g\u00e9n\u00e9ral, environ 50% du couple sont perdus \u00e0 cause du frottement sous l'\u00e9crou\/la t\u00eate du boulon, et 40% sont perdus \u00e0 cause du frottement du filetage. Cela signifie que seulement 10% du couple appliqu\u00e9 sont perdus dans le frottement du filetage. le couple cr\u00e9e en fait la charge de serrage<\/a>. Le frottement \u00e9tant tr\u00e8s sensible \u00e0 la lubrification, \u00e0 l'\u00e9tat de surface et \u00e0 la vitesse d'installation, il est naturellement peu fiable de se fier uniquement au couple pour les applications critiques.<\/p>\n
La loi de Hooke et l'\u00e9longation<\/h3>\n
Une fa\u00e7on plus directe de d\u00e9terminer la force de serrage consiste \u00e0 consid\u00e9rer le boulon comme un ressort de pr\u00e9cision. Dans sa limite d'\u00e9lasticit\u00e9, un boulon suit la loi de Hooke : la quantit\u00e9 qu'il \u00e9tire est directement li\u00e9e \u00e0 la force qui lui est appliqu\u00e9e. En mesurant cette petite variation de longueur (\u00e9longation), nous pouvons calculer la force de serrage avec une grande pr\u00e9cision, ind\u00e9pendamment des variations de frottement. C'est le principe qui sous-tend les m\u00e9thodes de mesure bas\u00e9es sur les ultrasons et les microm\u00e8tres. La formule de contr\u00f4le est la suivante :<\/p>\n
`F = A * E * (\u0394L \/ L)``<\/p>\n
- \n
- F :<\/strong> Force de serrage.<\/li>\n
- A :<\/strong> Section transversale du boulon. Il ne s'agit pas de la surface nominale, mais de la surface effective qui supporte la charge.<\/li>\n
- E :<\/strong> Module d'\u00e9lasticit\u00e9<\/a> (module d'Young) du mat\u00e9riau du boulon. Il mesure la rigidit\u00e9 du mat\u00e9riau (par exemple, ~205 GPa ou 30 000 000 psi pour l'acier).<\/li>\n
- \u0394L :<\/strong> La modification de la longueur du boulon (\u00e9longation) due au serrage.<\/li>\n
- L :<\/strong> La longueur effective d'origine du boulon \u00e9tir\u00e9.<\/li>\n<\/ul>\n
Cette relation montre que si nous pouvons mesurer avec pr\u00e9cision l'allongement (\u0394L) d'un boulon dont les propri\u00e9t\u00e9s sont connues (A, E, L), nous pouvons calculer directement la force de serrage (F) qu'il applique.<\/p>\n
Propri\u00e9t\u00e9s des mat\u00e9riaux et des joints<\/h3>\n
La force de serrage finale obtenue est \u00e9galement fonction de l'ensemble du syst\u00e8me d'assemblage. La rigidit\u00e9 du boulon par rapport \u00e0 la rigidit\u00e9 des pi\u00e8ces serr\u00e9es d\u00e9termine le comportement de l'assemblage sous l'effet des charges externes et des changements de temp\u00e9rature. Un joint comportant des pi\u00e8ces souples, comme des joints multiples, aura une faible rigidit\u00e9. Il sera plus susceptible de se d\u00e9tendre, la pr\u00e9charge diminuant avec le temps \u00e0 mesure que les mat\u00e9riaux souples se tassent ou fluent. En revanche, un joint rigide compos\u00e9 de deux grandes plaques d'acier conservera sa pr\u00e9charge de mani\u00e8re beaucoup plus efficace. Les propri\u00e9t\u00e9s mat\u00e9rielles du boulon, telles que sa classe et sa r\u00e9sistance \u00e0 la traction, d\u00e9terminent la pr\u00e9charge maximale qu'il peut supporter en toute s\u00e9curit\u00e9 sans c\u00e9der. Un boulon de grade 8.8 \u00e0 haute r\u00e9sistance peut atteindre une charge de serrage beaucoup plus \u00e9lev\u00e9e qu'un boulon de grade 4.6 en acier doux de la m\u00eame taille.<\/p>\n
M\u00e9thodes d'essai de la force de serrage<\/h2>\n
Il existe plusieurs m\u00e9thodes diff\u00e9rentes pour r\u00e9aliser un essai de force de serrage, allant de simples estimations indirectes \u00e0 des mesures directes tr\u00e8s pr\u00e9cises. Le choix d'une m\u00e9thode d\u00e9pend de la criticit\u00e9 de l'articulation, des exigences de pr\u00e9cision, du budget, de l'accessibilit\u00e9 et du fait que l'essai est destin\u00e9 \u00e0 la recherche et au d\u00e9veloppement, \u00e0 la production ou \u00e0 la v\u00e9rification sur le terrain.<\/p>\n
M\u00e9thodes de couple indirectes<\/h3>\n
La m\u00e9thode la plus courante dans l'assemblage est l'approche bas\u00e9e sur le couple, qui utilise une cl\u00e9 dynamom\u00e9trique calibr\u00e9e. L'op\u00e9rateur applique une valeur de couple sp\u00e9cifi\u00e9e et la force de serrage est suppos\u00e9e bas\u00e9e sur le calcul `F = T \/ (K * D)`. Comme nous l'avons vu, il s'agit d'une m\u00e9thode indirecte. Sa principale faiblesse est la grande variabilit\u00e9 du coefficient de frottement (K). Des changements dans la lubrification, la rouille de surface, l'\u00e9tat du filetage ou la technique de l'op\u00e9rateur peuvent faire varier la pr\u00e9charge r\u00e9elle de \u00b125% ou plus par rapport \u00e0 la valeur cible, m\u00eame avec une cl\u00e9 parfaitement calibr\u00e9e. Cette m\u00e9thode est souvent \"suffisante\" pour les applications non critiques o\u00f9 une large tol\u00e9rance sur la force de serrage est acceptable.<\/p>\n
M\u00e9thodes de mesure directe<\/h3>\n
Les m\u00e9thodes directes mesurent un changement physique dans la fixation ou l'articulation qui r\u00e9sulte directement de la charge de serrage. Ces techniques sont beaucoup plus pr\u00e9cises car elles \u00e9vitent en grande partie les incertitudes li\u00e9es au frottement.<\/p>\n
Extensom\u00e8tres \u00e0 ultrasons<\/h4>\n
Cette m\u00e9thode avanc\u00e9e utilise le principe de l'\u00e9longation des boulons. Un transducteur \u00e0 ultrasons est plac\u00e9 sur la t\u00eate du boulon. Il envoie une impulsion sonore sur toute la longueur de la fixation, qui rebondit sur l'extr\u00e9mit\u00e9 et revient. L'instrument mesure pr\u00e9cis\u00e9ment le temps de vol de l'impulsion. Cette mesure est effectu\u00e9e avant et apr\u00e8s le serrage. La variation du temps de vol est directement li\u00e9e \u00e0 la variation de la longueur du boulon (son \u00e9tirement). En utilisant les propri\u00e9t\u00e9s acoustiques du mat\u00e9riau et la loi de Hooke, l'appareil calcule la force de serrage. Il offre une grande pr\u00e9cision (typiquement \u00b11-3%) et n'est pas intrusif une fois que la pr\u00e9paration initiale de l'extr\u00e9mit\u00e9 du boulon est termin\u00e9e, ce qui le rend id\u00e9al pour v\u00e9rifier les assemblages critiques sur le terrain.<\/p>\n
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<\/p>\nCapteurs de force et rondelles de force<\/h4>\n
Ces dispositifs constituent l'\u00e9talon-or de la pr\u00e9cision car ils mesurent directement la force. Un capteur de force est un dispositif qui convertit la force en un signal \u00e9lectrique mesurable. Il prend souvent la forme d'une rondelle et est plac\u00e9 directement sous la t\u00eate de l'\u00e9crou ou du boulon. Lorsque la fixation est serr\u00e9e, la cellule de charge est comprim\u00e9e et sa sortie donne une lecture en temps r\u00e9el de la force de serrage cr\u00e9\u00e9e. Il s'agit d'outils essentiels pour les recherches en laboratoire, pour l'\u00e9talonnage d'autres m\u00e9thodes de serrage et pour l'\u00e9tablissement de la v\u00e9ritable relation couple-tension pour un assemblage sp\u00e9cifique. Lors de l'installation d'une rondelle indicatrice de charge, il est possible d'observer directement l'augmentation de la force au fur et \u00e0 mesure que le couple est appliqu\u00e9, ce qui r\u00e9v\u00e8le souvent la relation non lin\u00e9aire et incoh\u00e9rente entre les deux.<\/p>\n
Jauges de contrainte<\/h4>\n
Pour une pr\u00e9cision maximale, notamment dans le cadre de la recherche et du d\u00e9veloppement et de l'analyse des d\u00e9faillances, il est possible d'utiliser des jauges de contrainte. Une petite grille mince est coll\u00e9e directement sur la tige du boulon. Lorsque le boulon est serr\u00e9 et \u00e9tir\u00e9, l'arbre subit une d\u00e9formation qui \u00e9tire la grille et modifie sa r\u00e9sistance \u00e9lectrique. Cette variation de r\u00e9sistance est mesur\u00e9e \u00e0 l'aide d'un pont de Wheatstone et reli\u00e9e avec pr\u00e9cision \u00e0 la d\u00e9formation, et donc \u00e0 la contrainte et \u00e0 la force, dans le boulon. Bien qu'extr\u00eamement pr\u00e9cise, cette m\u00e9thode est d\u00e9licate, demande beaucoup de travail et est g\u00e9n\u00e9ralement limit\u00e9e aux environnements de laboratoire.<\/p>\n
Mesure au microm\u00e8tre<\/h4>\n
Il s'agit de la m\u00e9thode m\u00e9canique la plus \u00e9l\u00e9mentaire pour mesurer l'allongement d'un boulon. Elle n\u00e9cessite l'acc\u00e8s aux deux extr\u00e9mit\u00e9s du boulon. Un microm\u00e8tre sp\u00e9cialis\u00e9 est utilis\u00e9 pour mesurer la longueur totale du boulon avant le serrage. Apr\u00e8s le serrage, la mesure est r\u00e9p\u00e9t\u00e9e. La diff\u00e9rence entre les deux mesures est l'allongement (\u0394L). Cette valeur peut ensuite \u00eatre utilis\u00e9e dans la formule de la loi de Hooke pour calculer la force. L'avantage de cette m\u00e9thode r\u00e9side dans la simplicit\u00e9 de son concept et le faible co\u00fbt de l'\u00e9quipement. Cependant, elle est sujette \u00e0 des erreurs de la part de l'op\u00e9rateur, n\u00e9cessite des surfaces de mesure pr\u00e9cises et propres, et n'est possible que pour des applications de trous traversants o\u00f9 les deux extr\u00e9mit\u00e9s de l'\u00e9l\u00e9ment de fixation sont accessibles.<\/p>\n
Choix d'une m\u00e9thode d'essai<\/h3>\n
Pour choisir la bonne m\u00e9thode, il faut trouver un \u00e9quilibre entre la pr\u00e9cision, le co\u00fbt et les contraintes de l'application. Le tableau suivant fournit une comparaison pour guider cette d\u00e9cision.<\/p>\n
- A :<\/strong> Section transversale du boulon. Il ne s'agit pas de la surface nominale, mais de la surface effective qui supporte la charge.<\/li>\n
- T :<\/strong> Couple appliqu\u00e9. La force de rotation appliqu\u00e9e \u00e0 l'\u00e9crou ou au t\u00eate de boulon<\/a>.<\/li>\n
- Moulage par injection :<\/strong> Il maintient les deux moiti\u00e9s d'un moule ferm\u00e9es contre l'\u00e9norme pression du plastique fondu, \u00e9vitant ainsi les d\u00e9fauts tels que la bavure.<\/li>\n
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