Fixations et vibrations

Éléments de fixation, vibrations et moyens d'empêcher un boulon de se desserrer

L'un des principaux avantages des fixations filetées par rapport aux solutions de fixation permanentes est qu'elles peuvent être réutilisées si nécessaire, mais dans certaines conditions, leur démontabilité constitue également l'un des plus grands dangers. La possibilité de les retirer entraîne le risque que les fixations se détachent involontairement, ce qui est particulièrement fréquent en présence de vibrations. Les premières vis métalliques ont en fait été inventées pour répondre directement au problème des vibrations. Les premières vis étaient simplement des clous modifiés et ont été popularisées en tant que fixations de pistolet qui résistaient au desserrage lors des coups de feu. Bien que les vibrations soient un problème très répandu dans l'industrie, leurs causes, leurs effets et en particulier leur prévention sont largement méconnus. Des composants antivibrations incorrects et inefficaces sont encore utilisés aujourd'hui, et une compréhension théorique des raisons des vibrations est essentielle pour éviter toute confusion lors de la sélection de la meilleure solution au problème.

Causes du relâchement vibratoire

Les vibrations sont omniprésentes. La résonance de fond est omniprésente (à l'exception des aspirateurs), bien qu'elle atteigne rarement une ampleur susceptible de susciter de graves préoccupations. Les vibrations sont les oscillations consécutives provoquées par les mouvements et les sons et peuvent être souhaitables, comme dans le cas d'instruments de musique, ou indésirables, comme dans le cas d'une machine violente qui se met en pièces. Les vibrations peuvent représenter un danger majeur pour les ingénieurs et, dans des cas extrêmes, elles peuvent avoir un potentiel dévastateur. On sait même que la résonance amplifiée provoquée par le simple fait que les soldats marchent au pas détruit des ponts suspendus. Au quotidien, les vibrations sont généralement moins importantes, mais non moins gênantes. Dans la plupart des cas, les vibrations agissent progressivement, desserrant lentement les fixations sur des périodes de plusieurs semaines, mois, voire années, ce qui fait que les fixations perdent leur précharge et deviennent peu fiables. Les vibrations sont particulièrement problématiques à l'ère de l'électronique moderne miniaturisée, car à mesure que les appareils tels que les téléphones portables deviennent plus petits et plus légers, leurs composants deviennent également plus petits ; et les fixations plus petites et plus légères sont nettement plus susceptibles de se desserrer sous l'effet des vibrations. Cela est particulièrement courant dans les ordinateurs, qui sont continuellement soumis à des vibrations à haute fréquence provenant de ventilateurs ou de lecteurs de disques, et qui sont souvent maintenus ensemble par des attaches miniatures pour économiser de l'espace. Le desserrage sous l'effet des vibrations peut également entraîner une usure inutile de l'assemblage, car les éléments de fixation mal desserrés ou préchargés (en particulier les boulons dont les sections ne sont pas filetées) peuvent se déplacer librement. Au mieux, des fixations desserrées provoqueront un bruit indésirable et, au pire, elles s'useront et s'affaibliront au fil du temps, ce qui pourrait entraîner une défaillance structurelle.

Le test Junker

L'un des domaines de recherche les plus importants sur les effets des vibrations sur les fixations est connu sous le nom de test Junker, développé en 1969 par l'ingénieur allemand Gerhard Junker. Junker a développé une machine pour exercer intentionnellement de fortes forces de vibration latérale sur un boulon. La machine Junker a connu un tel succès que des engins similaires sont désormais monnaie courante dans les installations d'essai de fixations. Junker a découvert que les vibrations latérales à l'axe de l'attache provoquaient des conditions de desserrage beaucoup plus sévères que les vibrations se propageant le long de l'axe de l'attache. Par conséquent, cela signifie que les éléments de fixation filetés soumis à de fortes vibrations latérales se desserrent beaucoup plus rapidement que ceux soumis à des vibrations axiales ; cela est dû au fait que les forces latérales glissent contre la face inférieure de la tête de vis, provoquant la rotation de la vis, tandis que les vibrations axiales poussent simplement contre le filetage de l'élément de fixation, ce qui représente une utilisation beaucoup moins efficace de l'énergie. Dans la plupart des applications, il est difficile d'isoler ces deux types de vibrations, et les deux sont souvent rencontrés simultanément, mais ce sont les mouvements latéraux qui ont le plus d'effet. Le test Junker a également permis de mettre en évidence que certaines fixations commercialisées comme « antivibrations » sont plus efficaces que d'autres. Junker a notamment ciblé les rondelles à ressort, qui sont utilisées comme composants antivibrations polyvalents depuis de nombreuses années. Il a fait valoir que ce type de rondelle ne convient qu'aux applications légères et peut même être préjudiciable aux applications soumises à de fortes vibrations. Une machine Junker a confirmé sa théorie. Cela s'explique par le fait que les vibrations agissent simultanément sur les deux côtés d'un écrou, en essayant essentiellement de tourner dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens antihoraire en même temps. Des composants tels que les rondelles élastiques, qui concentrent la pression sur un seul point d'un écrou ou d'une tête de vis, accélèrent le processus de desserrage en annulant efficacement les forces de serrage opposées sur le côté opposé de l'écrou.

Mesures préventives

Les vibrations dans l'ingénierie n'ont rien de nouveau, et les solutions à ce problème sont constamment développées et améliorées. En ce qui concerne les fixations, plusieurs produits sont disponibles pour résoudre ce problème, et certains sont plus adaptés que d'autres, en fonction de l'application :

Casiers à fils : les composés bloquant les fils sont remarquablement courants, à tel point que de nombreuses personnes les auront probablement vus sans même s'en rendre compte. Les blocages à fils sont des taches souvent colorées que l'on trouve fréquemment sur les vis utilisées dans les ordinateurs et autres appareils électroniques. Beaucoup prétendent à tort que ces taches colorées sont destinées à détecter les manipulations, mais elles constituent en fait l'une des solutions les plus efficaces et les plus rentables pour augmenter la friction du fil et augmenter la résistance aux vibrations d'un assemblage. En outre, le composé anti-filetage d'Accu peut être ajouté à presque toutes les fixations et présente l'avantage supplémentaire d'être potentiellement combiné avec certaines des options répertoriées ci-dessous.

Écrous de blocage : un certain nombre d'écrous spéciaux sont conçus dans un souci d'antivibration et sont spécifiquement conçus pour résister au desserrage une fois installés. Les écrous de blocage entièrement métalliques et les écrous de blocage en nylon résistent très efficacement aux vibrations. Les écrous de blocage entièrement métalliques sont dotés d'une série de filetages serrés sur un côté, qui saisissent le filetage d'une vis une fois installés. Les écrous de serrage en nylon ont un système de verrouillage similaire créé par un manchon en nylon élastique, qui se déforme autour du filetage des vis pour une plus grande résistance au desserrage.

Fils trilobulaires — ce sont des attaches avec un profil de fil arrondi mais légèrement triangulaire. Les cavités d'un filetage trilobulaire permettent au boîtier cible de s'écouler à froid ou de se faufiler autour de celui-ci, ce qui lui confère une résistance accrue aux vibrations. Les fils trilobulaires ont l'avantage supplémentaire d'être très efficaces pour couper les fils, mais leur forme irrégulière signifie que leur résistance aux vibrations sera considérablement réduite en cas d'utilisation répétée, ce qui les rend plus utiles en tant que solution semi-permanente.

Dentelure sous la tête : cette caractéristique se trouve sur les boulons hexagonaux dentelés et les vis à tête cylindrique dentée d'Accu. Les têtes dentelées sont conçues pour pénétrer dans le boîtier de la cible afin de résister au desserrage, et il est préférable de les utiliser dans les applications où les rondelles ne sont pas adaptées. Dispositifs de verrouillage positif : on peut dire que la protection infaillible contre les vibrations est un dispositif de verrouillage positif tel qu'un écrou, qui est bloqué en place par une goupille fendue après l'installation. Les produits fixés à l'aide d'écrous ne peuvent pas tourner au-delà d'un certain point et sont totalement résistants aux vibrations.

Autres causes de relâchement

Bien que les vibrations soient un facteur essentiel lors de la fabrication d'un assemblage, elles ne sont certainement pas la seule cause du desserrage des fixations. Parmi les autres problèmes pouvant entraîner un relâchement, citons l'encastrement, lorsqu'une zone particulière d'un élément de fixation s'enfonce dans une surface de contact, créant ainsi une zone localisée de haute pression. Cela fait que le reste de la surface cède lentement, égalisant la pression, provoquant une relaxation, une perte de précharge et une défaillance due à la fatigue. L'encastrement peut être causé par plusieurs problèmes, notamment des surfaces de contact inégales, une dilatation thermique et, ce qui est quelque peu confus, des vibrations. Le grippage est un autre problème qui peut provoquer le desserrage des fixations. Le grippage se produit lorsque des soudures à froid se forment entre deux surfaces en contact. Le grippage provoque la fragilité du filetage d'une vis, ce qui peut entraîner un dénudage partiel ou complet du filetage. Le grippage est courant lorsque les surfaces de contact sont fabriquées à partir de la même qualité de métal, car des structures cristallines similaires sont plus sensibles au soudage à froid. En fin de compte, le desserrage des attaches est un problème grave qui peut être causé dans un large éventail de conditions. Il est important de rester vigilant face à une gamme complète de dangers potentiels, car l'amortissement des vibrations ne garantit pas à lui seul la longévité d'un assemblage, mais en prenant les précautions appropriées et en utilisant les composants résistants aux vibrations idéaux pour une application, le risque de relâchement des vibrations peut être considérablement réduit.