Guide de l'ingénieur sur la précharge et la force de serrage des boulons

Serrez un boulon et quelque chose de légèrement contre-intuitif se produit : il s'étire. Pas beaucoup, mais c'est ce tout petit étirement qui permet à l'ensemble de l'articulation de fonctionner. Le boulon se comporte comme un ressort très rigide et la tension qui y est attachée rapproche étroitement les parties serrées. Cette tension est appelée précharge et constitue le facteur le plus important pour déterminer si un joint boulonné tient ou échoue. La compression qu'il crée dans les pièces à serrer constitue la force de serrage. Si la précharge est correcte, le joint reste étanche pendant des années. Si vous vous trompez, l'intégrité des assemblages boulonnés est compromise, ce qui est à l'origine d'un nombre surprenant de défaillances mécaniques.

Ce guide explique ce que sont réellement la précharge et la force de serrage, comment elles sont liées l'une à l'autre, ce qui ne va pas lorsqu'elles sont désactivées et comment les maîtriser. Les ingénieurs d'Accu sont intervenus tout au long du processus. Que vous souhaitiez serrer un joint critique ou simplement comprendre ce qui se passe sous la clé, il y a quelque chose pour vous.

 

Contenu :

• Que sont la précharge et la force de serrage des boulons et comment fonctionnent-elles ?

• Que se passe-t-il lorsque vous vous trompez

• Couple et précharge dans les assemblages boulonnés

• Les facteurs qui influent sur la précharge et la force de serrage

• Méthodes de contrôle de la précharge et de la force de serrage

• Erreurs courantes et comment les éviter

• Principaux points à retenir

• FAQ

Que sont la précharge et la force de serrage des boulons et comment fonctionnent-elles ?

 

Lorsque vous serrez un boulon, vous définissez deux forces agissant l'une contre l'autre, de taille égale mais de direction opposée. Le premier est la précharge, la tension qui s'accumule à l'intérieur du boulon lorsqu'il est serré. La seconde est la force de serrage, la compression que la même action exerce sur le joint.

La précharge provient de l'étirement du boulon. Lorsque vous tournez l'écrou, le boulon est serré et s'étire légèrement. Comme tout ressort tendu, il se bat pour retrouver sa longueur initiale. Cette résistance, la traction qu'elle exerce en essayant de rebondir, constitue la précharge.

Cette attraction doit agir contre quelque chose. L'écrou et la tête du boulon piègent le joint entre eux, de sorte que lorsque le boulon tente de se contracter, il serre les pièces serrées l'une contre l'autre. Cette pression est la force de serrage.

La précharge et la force de serrage sont liées, car l'une ne va pas sans l'autre. Ils sont également normalement de même amplitude. S'il y a 10 kilonewtons (kN) de précharge, la force de serrage sera également de 10 kN.

Que se passe-t-il lorsque vous vous trompez

Il existe deux principales causes de défaillance en ce qui concerne la précontrainte des boulons : un serrage insuffisant et un serrage excessif. D'après les noms eux-mêmes, la façon dont vous pouvez arriver dans l'un ou l'autre de ces états va de soi, mais que se passe-t-il lorsque vous vous trompez de précharge sur le boulon et que celui-ci est soit sous-serré, soit trop serré ?

Commencez par un serrage insuffisant. Un boulon trop lâche ne peut pas générer la force de serrage dont le joint a besoin pour rester en place, et le joint glisse. Une fois qu'il glisse, la charge de cisaillement atterrit directement sur la tige du boulon au lieu d'être entraînée par friction entre les faces serrées, et le risque de cisaillement du boulon augmente. La résistance à la fatigue est également mise à rude épreuve, car un verrou desserré entraîne le plein essor de chaque cycle de charge au lieu d'une légère fluctuation.

Ce n'est pas tout. Dans les joints étanches, une force de serrage trop faible entraîne des fuites. Et comme vous le diront tous ceux qui ont assisté à un test Junker, un joint mal serré soumis à des vibrations cycliques se desserrera volontiers et se déformera d'lui-même.

Un serrage excessif pose un autre ensemble de problèmes. Certaines sont immédiates et évidentes : des fils dénudés, un boulon cisaillé ou des faces de serrage écrasées et déformées au point que le joint se brise sur place.

Au-delà de ces échecs instantanés, il en existe d'autres qui sont plus subtils ou mettent plus de temps à se manifester. Un serrage excessif peut provoquer une accélération du relâchement du boulon, une réponse initiale à la précharge liée aux étapes principales du fluage. En bref, la tige du boulon est étirée et perd son élasticité, s'allongeant de façon permanente, ce qui entraîne une perte de tension de précharge dans le joint boulonné. Le serrage excessif d'un joint boulonné peut également provoquer un grippage du fil.

Tout cela revient à dire que le couple est un élément essentiel de la précharge, un élément qui doit absolument être pris en compte et compris pour obtenir la bonne précharge sur les assemblages boulonnés. C'est pourquoi nous prenons le temps de l'explorer.

Couple et précharge dans les assemblages boulonnés

Lorsque vous serrez un écrou ou un boulon, vous lui appliquez une force de torsion appelée couple. La plupart des personnes ayant une formation en ingénierie sont parfaitement à l'aise avec le couple, mais ce qui est moins apprécié, c'est le fait qu'il atteint le verrou en tant que travail utile.

Environ 50 % du couple que vous appliquez est absorbé par friction lorsque la tête de l'écrou ou du boulon prend appui sur la surface contre laquelle elle tourne. De 35 à 40 % supplémentaires sont perdus à cause de la friction dans les fils. Il ne reste donc qu'environ 10 à 15 % à faire le vrai travail : étirer le boulon pour créer une précharge.

Ainsi, si vous appliquez 100 Nm de couple à votre clé, seuls 10 à 15 Nm environ créent réellement une précharge. Le reste n'est que de la chaleur due à la friction.

La relation entre le couple et la précharge est expliquée par la formule de précharge du boulon suivante :

T = K × F × d

Si c'est la première fois que vous voyez cette équation, voici ce que signifient ses différentes parties :

• T est le couple que vous appliquez

• F est la précharge que vous obtenez (la tension dans le boulon, ce que vous voulez réellement)

• d est le diamètre du boulon (un boulon plus gros signifie plus de couple nécessaire pour la même précharge)

• K est le facteur écrou, qui est le plus délicat

K est un chiffre unique qui regroupe tous les effets de friction. Un boulon en acier sec et non lubrifié peut avoir un K d'environ 0,20, mais si vous ajoutez un peu d'huile, il tombe à environ 0,15. Utilisez un lubrifiant spécialisé comme le bisulfure de molybdène et il peut descendre jusqu'à 0,10.

Voici pourquoi c'est si important. Si vous appliquez le même couple au même boulon mais que vous modifiez la lubrification, vous obtenez une précharge complètement différente. Un boulon couplé à 50 Nm avec un K de 0,20 aura environ la moitié de la précharge du même boulon couplé à 50 Nm avec un K de 0,10.

C'est pourquoi le couple seul est un moyen imparfait de contrôler la précharge des boulons. Vous ne mesurez pas ce qui vous intéresse réellement (à quel point le verrou est tendu). Vous mesurez l'entrée (la force avec laquelle vous vous êtes tordu) en espérant que les conditions de friction correspondent à celles que vous avez supposées. La précision typique d'un serrage à couple uniquement est d'environ 25 à 35 %, ce qui signifie que votre précharge réelle peut se situer n'importe où dans une bande assez large de chaque côté de votre cible.

Il fonctionne assez bien pour la plupart des applications quotidiennes, mais c'est pourquoi les joints critiques utilisent souvent des méthodes plus précises et pourquoi il est si important d'utiliser le bon lubrifiant (ou pas de lubrifiant, si la spécification de couple a été définie pour des conditions sèches). Le remplacement de la lubrification sans ajuster la valeur de couple est l'une des causes les plus courantes de sur-serrage ou de sous-serrage dangereux des joints boulonnés.

Les facteurs qui influent sur la précharge et la force de serrage

La lubrification n'est qu'une partie de l'histoire. Plusieurs autres facteurs influencent la force de précharge et de serrage que vous obtenez et il vaut la peine de les connaître.

Frottement

La friction fait bien plus que résister aux fils. Il apparaît en fait à deux endroits : dans les filetages eux-mêmes et sur la face d'appui où la tête de l'écrou ou du boulon tourne contre la surface du joint. Les deux extraient un couple qui deviendrait autrement une précharge.

L'état de ces surfaces influe sur la précharge et la force de serrage. Un filetage ou un boulon corrodé génère une friction supplémentaire. Il en va de même pour une attache réutilisée, car le serrage déforme les surfaces de contact à un niveau microscopique. Même les revêtements et les placages modifient le comportement du joint.

Une rondelle située entre l'attache et la surface du joint ajoute une autre interface de friction. Une rondelle corrodée génère plus de friction qu'une rondelle neuve dont la surface est lisse et uniforme. De même, une rondelle en plastique aura un coefficient de friction différent de celui d'une rondelle métallique et interagira différemment avec la surface du joint.

Si un écrou de serrage à couple dominant est utilisé, une partie du couple appliqué au joint boulonné afin de le fixer sera utilisée pour déformer le filetage. C'est normal, c'est ainsi que fonctionnent les contre-écrous, mais il ne faut pas oublier que le couple nécessaire pour fixer l'une de ces fixations sera affecté et qu'une partie de celui-ci n'affectera pas la précharge ou la force de serrage.

Propriétés des matériaux et qualité des boulons

Hormis la friction, les matériaux eux-mêmes déterminent la précharge et la force de serrage des boulons qu'un joint peut supporter.

Le matériau du boulon fixe le plafond de la quantité de précharge que vous pouvez générer en toute sécurité. Chaque boulon possède une charge d'épreuve, qui correspond à la tension maximale qu'il peut supporter sans se déformer de façon permanente. Si vous le dépassez, le verrou s'étire en permanence, perdant son élasticité semblable à celle d'un ressort. Une fois que cela se produit, il ne peut plus maintenir correctement le préchargement.

L'objectif standard pour la plupart des joints à usage général est d'environ 75 % de la charge d'épreuve du boulon. Dans des environnements plus contrôlés où le frottement est bien caractérisé et les méthodes de serrage plus précises, les ingénieurs peuvent pousser jusqu'à 90 %. Le fait de monter plus haut ne laisse pratiquement aucune marge de sécurité avant que le verrou ne cède.

Les boulons en acier sont classés en fonction de leur résistance. Les chiffres que vous voyez estampés sur les têtes des boulons (8,8, 10,9, 12,9) vous indiquent la charge que le verrou peut supporter. Le premier chiffre correspond à la résistance nominale à la traction du boulon, exprimée en centaines de mégapascals (MPa). Un 8,8 est donc évalué à environ 800 MPa, un 10,9 à 1 000 MPa et un 12,9 à 1 200 MPa. Le second est le rapport entre l'élasticité et la résistance à la traction, donc la valeur de 0,8 sur 8,8 signifie que le boulon atteint sa limite d'élasticité à environ 80 % de cette valeur de traction, soit environ 640 MPa. Plus le chiffre est élevé, plus le verrou est solide. Un boulon 12,9 de la même taille qu'un 8,8 peut subir une précharge nettement plus importante avant de rencontrer des problèmes, ce qui signifie qu'il peut générer une force de serrage plus importante.

Mais plus fort n'est pas automatiquement meilleur. Un verrou de qualité supérieure présente moins de marge d'erreur. Si vous dépassez le couple sur un 8,8, vous avez une marge plus large avant que quelque chose ne se passe mal. Faites de même sur un 12.9 et vous vous rapprocherez beaucoup plus des limites du verrou. Cette résistance supplémentaire n'est rentable que si votre processus de serrage est suffisamment précis pour en tirer parti sans dépasser les limites.

Les matériaux serrés sont tout aussi importants. Si les pièces serrées sont plus molles que le boulon (boîtiers en aluminium, composants en plastique, tôle mince), la force de serrage peut endommager ou déformer définitivement les faces du joint avant que le boulon n'atteigne sa précharge cible.

Dans ces cas, c'est la résistance à la compression du joint qui devient le facteur limitant, et non la résistance à la traction du boulon. Les rondelles aident à répartir cette force de serrage sur une zone plus large et à protéger les surfaces plus souples, mais n'oubliez pas que si vous les utilisez, elles affecteront la friction générée lors de la fixation.

Rigidité des articulations

La rigidité du joint fait référence à la façon dont le boulon et les pièces serrées partagent toute charge externe appliquée après l'assemblage.

Considérez le boulon comme un ressort relativement flexible et les pièces serrées comme un ressort beaucoup plus rigide. Dans un joint en acier typique, le matériau serré peut être entre 3 et 5 fois plus rigide que le boulon. Lorsqu'une charge de traction externe frappe le joint (quelque chose essaie de le séparer), cette charge est partagée entre les deux ressorts.

Comme les pièces serrées sont plus rigides, elles absorbent la majeure partie de la charge externe en relâchant une petite partie de leur compression. Le boulon ne capte qu'une petite tension supplémentaire en plus de sa précharge. Cela est extrêmement bénéfique pour la résistance à la fatigue, car le boulon ne voit qu'une petite fluctuation de charge à chaque cycle au lieu de la pleine amplitude de la force externe.

C'est aussi pourquoi le préchargement est si important. Si la force de serrage est insuffisante et que le joint se sépare, le boulon voit soudainement la totalité de la charge externe directement. La fluctuation de la contrainte augmente de façon spectaculaire et la défaillance due à la fatigue s'ensuit rapidement.

La rigidité des articulations peut être influencée par la conception. Un boulon plus long avec une plus grande longueur de prise est plus flexible, ce qui n'est pas une bonne idée, mais cela signifie en fait qu'il est plus tolérant aux charges externes et à la relaxation, car il faut plus d'étirement pour modifier sa précharge d'une certaine quantité. L'utilisation d'une rondelle appropriée ou l'augmentation de l'encombrement de la tête du boulon permettent de répartir la force de serrage sur un cône de matériau plus large, ce qui rend le joint plus rigide. Les deux effets améliorent le ratio en faveur de l'articulation.

Intégration et relaxation

Un boulon fraîchement serré perdra une partie de sa précharge dans les minutes et les heures qui suivent l'assemblage, même en l'absence de charge externe.

Au niveau microscopique, les surfaces en contact (flancs des fils, faces d'appui, interfaces entre les pièces serrées) ne sont jamais parfaitement lisses. Lorsque le boulon est serré pour la première fois, les points hauts de ces surfaces se compriment et s'aplatissent sous l'effet de la force de serrage. Au fur et à mesure qu'ils s'installent, la longueur totale de la poignée se raccourcit légèrement. Comme le boulon a été étiré à une longueur spécifique, tout raccourcissement de la pile signifie que le boulon se détend légèrement et que la précharge diminue. Une perte typique est d'environ 5 à 10 % de la précharge initiale.

Les joints ne font qu'empirer les choses. Les matériaux des joints sont conçus pour se déformer afin de créer une étanchéité. Ils se compriment et se glissent donc beaucoup plus que les interfaces métal-métal. Les joints d'étanchéité doivent presque toujours être resserrés après le tassement initial.

Effets de la température

Chaque matériau se dilate lorsqu'il est chauffé et se contracte lorsqu'il est refroidi, mais différents matériaux le font à des vitesses différentes. Cela entre en jeu chaque fois que le boulon et les pièces serrées sont fabriqués dans des matériaux différents.

Prenons un scénario courant : un boulon en acier serrant un boîtier en aluminium. Si l'ensemble chauffe en cours de fonctionnement, l'aluminium se dilate plus que le boulon en acier. Comme le boulon est contraint par l'écrou, l'expansion supplémentaire de l'aluminium étire efficacement le boulon, ce qui augmente la précharge et la force de serrage. Si l'augmentation de température est suffisamment importante, le boulon peut céder. Ainsi, lorsque l'assemblage se refroidira, le boulon sera desserré car il est maintenant tendu en permanence.

L'inverse se produit lors du refroidissement. L'aluminium se contracte davantage, la longueur effective de la poignée diminue, ce qui entraîne une baisse de la précharge. Dans les cas extrêmes ou après un cycle thermique, le joint peut se retrouver avec une force de serrage pratiquement nulle.

Méthodes de contrôle de la précharge et de la force de serrage

Maintenant que nous savons ce que sont la précharge et la force de serrage, ce qui se passe si vous vous trompez et les différents facteurs qui peuvent les affecter, il est temps de réfléchir à la manière dont vous les contrôlez. Il existe différentes manières de les gérer et de vous assurer de les utiliser correctement. Prenez donc un moment pour réfléchir à celle qui convient le mieux à votre application et à votre flux de travail :

Notez que les valeurs de précision sont des plages indicatives basées sur des références techniques largement publiées. La précision réelle dépend des conditions spécifiques à l'application, notamment le contrôle de la friction, les compétences de l'opérateur, l'étalonnage de l'équipement et la conception des articulations.

Erreurs courantes et comment les éviter

La théorie est maintenant en place. Les ingénieurs savent ce que sont la précharge et la force de serrage, ce qui les affecte et comment les contrôler. Pourtant, les assemblages boulonnés échouent tout le temps et, le plus souvent, il s'agit d'une poignée d'erreurs simples et évitables plutôt que de complications. Voici les sept choses qui surprennent le plus souvent les gens et comment les éviter.

1 : Réutilisation d'une spécification de couple avec un lubrifiant ou un revêtement différent

C'est probablement la façon la plus courante de surcharger ou de sous-charger dangereusement les articulations, et cela se produit parce que l'on a l'impression que rien n'a changé. Le boulon est le même, la clé est la même et la valeur de couple est la même. Mais si les spécifications d'origine étaient définies pour un boulon sec et que vous appliquez un lubrifiant pour filetage, vous avez considérablement réduit le facteur d'écrou. Cela signifie que votre couple est converti en précharge bien plus que prévu. Vous pouvez donc facilement pousser le boulon au-delà de sa charge d'épreuve et le faire fléchir ou retirer le filetage d'un trou taraudé.

Aller dans l'autre sens est tout aussi risqué. Si les spécifications supposent des filetages lubrifiés et que vous installez à sec, vous serez bien en deçà de la précharge cible et vous vous retrouverez avec un joint dont la force de serrage n'est pas suffisante pour rester étanche sous les charges de service.

La solution est simple : vérifiez toujours si la valeur de couple que vous utilisez était adaptée aux conditions de friction spécifiques que vous avez rencontrées. Si le lubrifiant, le revêtement ou le placage a changé, la valeur de couple doit changer en même temps.

2 : Serrage en une seule passe sur des assemblages à plusieurs boulons

Lorsque vous serrez le premier boulon d'un joint à bride ou d'une plaque de recouvrement, il rapproche les faces du joint à proximité immédiate. Mais la bride n'est pas parfaitement rigide, elle fléchit donc légèrement. Lorsque vous passez à autre chose et que vous serrez le second boulon, la bride se déforme à nouveau et une partie de la force de serrage du premier boulon est partiellement relâchée.

Une fois que vous aurez contourné chaque boulon, ceux que vous avez serrés en premier se situent bien en dessous de leur précharge cible, ce qui entraîne une force de serrage inégale sur le joint. Cela entraîne une surcharge localisée, une compression inégale du joint et des fuites potentielles.

La solution consiste à serrer en plusieurs passes en utilisant un motif en étoile ou en croix. Effectuez trois ou quatre passes, en augmentant progressivement le couple à chaque fois jusqu'à 30 %, 60 %, 100 %, puis effectuez une dernière passe de contrôle. Chaque passe rapproche l'uniformité de la distribution globale. Cela prend plus de temps, mais sur tout joint comportant plus de quatre boulons, c'est le seul moyen d'obtenir une force de serrage constante sur l'ensemble de l'assemblage.

3 : Confondre charge d'épreuve et limite d'élasticité

Ces deux termes ont un son similaire et sont souvent utilisés de manière vague, mais ce n'est pas la même chose. La charge d'épreuve est la force de traction maximale qu'un boulon peut supporter sans subir de déformation permanente. La limite d'élasticité est le point auquel le matériau commence à se déformer plastiquement.

La contrainte d'épreuve est inférieure à la limite d'élasticité (pour un boulon de 8,8, la contrainte d'épreuve est de 580 MPa contre un rendement de 640 MPa). Si vous définissez votre précharge cible en fonction d'un pourcentage de la limite d'élasticité plutôt que de la charge d'épreuve, vous visez plus haut que vous ne devriez l'être et vous réduisez la marge de sécurité qui tient compte de la dispersion par frottement, de la relaxation et des limites de précision de votre méthode de serrage.

Faites toujours référence à la charge d'épreuve lors du calcul de la précharge cible. C'est le chiffre qui intègre déjà le bon niveau de prudence.

4 : Réutilisation des boulons à rapport couple/rendement

Certains boulons sont conçus pour être serrés au-delà de leur limite d'élasticité pour provoquer une déformation plastique. Cela permet d'éliminer l'incertitude liée au frottement, car une fois que le boulon cède, une rotation supplémentaire produit un serrage très constant et prévisible. Ces boulons sont appelés boulons couple-élasticité, les boulons de culasse pour automobiles et les boulons de bielle en sont des exemples courants en action.

Le hic, c'est que le verrou est maintenant étiré en permanence. Son comportement élastique a changé, il a perdu une partie de sa capacité à maintenir la précharge et sa résistance à la fatigue a été réduite. Il s'agit de fixations à usage unique, donc les réutiliser signifie que vous partez d'une base de référence inconnue. Le boulon peut céder presque immédiatement, il peut ne pas générer une force de serrage adéquate, mais dans les deux cas, sa durée de vie restante à la fatigue est imprévisible.

5 : Se fier à la sensation de l'opérateur plutôt qu'à un outillage calibré

Un monteur expérimenté peut se rapprocher étonnamment du couple cible en touchant des fixations plus petites. Le problème est que « étonnamment proche » signifie toujours une bande de dispersion bien plus large que ce que produirait n'importe quelle clé dynamométrique et c'est totalement invérifiable. Il n'y a aucun enregistrement, aucune répétabilité et aucun moyen d'auditer le joint par la suite.

Pour les joints critiques, le risque est évident, mais même pour les travaux d'assemblage de routine, l'effet cumulatif d'un contrôle de précharge mal maîtrisé s'additionne. Vous vous retrouvez avec une force de serrage irrégulière sur une machine ou une structure, ce qui signifie que certains joints supportent plus de charge qu'ils ne devraient l'être, tandis que d'autres n'en supportent pas suffisamment.

Un outillage calibré ne doit pas nécessairement être coûteux. Une clé dynamométrique de base à clic, correctement calibrée et stockée correctement, élimine les conjectures. Pour les travaux plus volumineux ou plus critiques, les clés dynamométriques électroniques qui enregistrent chaque événement de serrage améliorent la traçabilité et la précision.

6 : Ignorer la relaxation et ne pas appliquer de nouveau couple après la stabilisation initiale

Comme nous l'avons mentionné précédemment, un joint fraîchement serré perd de 5 à 10 % de sa précharge à mesure que les surfaces se tassent, que les revêtements se compriment et que les aspérités de la surface rugueuse s'aplatissent. Dans les joints d'étanchéité, la perte peut être significativement plus élevée.

Si le couple initial est appliqué et que le joint est immédiatement mis en service sans nouvelle vérification, la force de serrage réelle en fonctionnement est inférieure au couple de montage impliqué. Pour de nombreuses articulations, cette perte de sédimentation se situe dans la marge nominale et ne pose aucun problème. Mais pour les raccords avec joint d'étanchéité, les joints d'équipements vibrants ou tout autre élément dont la marge de force de serrage est serrée, un nouveau couple après une courte période de stabilisation est essentiel.

C'est exactement pour cette raison que certaines applications critiques spécifient un intervalle de nouveau couple dans le programme de maintenance. Le temps et le coût d'une reprise du couple sont négligeables par rapport à une fuite, à un joint desserré ou à une défaillance due à la fatigue.

7 : Mélanger les qualités de boulons dans le même joint

Si vous avez six boulons dans une bride et que cinq sont de classe 10.9 mais que l'un a été remplacé par un 8.8, vous avez un problème. Ce boulon 8,8 est plus faible, il ne peut pas supporter autant de précharge que les autres. Serrez l'ensemble du joint selon une spécification de 10,9 et on demandera à un boulon de faire plus que ce pour quoi il a été conçu, ce qui signifie qu'il peut céder, perdre sa précharge au fil du temps ou tomber en panne.

Quoi qu'il en soit, la force de serrage à travers le joint est désormais inégale. Les cinq boulons restants prennent le relais, ce qui signifie qu'ils supportent plus de charge que ce pour quoi ils ont été conçus.

Cela fonctionne également dans l'autre sens. Un boulon surdimensionné ne tombera pas nécessairement en panne, mais il introduit des incohérences, ce qui entraîne un comportement imprévisible des articulations.

Chaque boulon d'un joint doit être de la même qualité, du même matériau et du même revêtement. C'est là que l'approvisionnement auprès d'un fournisseur de qualité est important. Des fixations cohérentes, correctement marquées et certifiées signifient que vous savez exactement ce qui se trouve dans chaque position et que vous pouvez être sûr qu'elles se comporteront toutes de la même manière lorsque vous les serrez.

Principaux points à retenir

La précharge et la force de serrage dans les assemblages boulonnés sont liées, ce qui signifie que vous ne pouvez pas avoir l'une sans l'autre. La précharge est ce qui maintient un joint boulonné ensemble, et non le couple. Cela dit, de nombreux facteurs peuvent influencer la quantité de couple nécessaire pour générer la précharge nécessaire dans un assemblage boulonné, tels que l'utilisation de différentes rondelles et les matériaux présents dans les fixations et le joint lui-même. La friction est le facteur le plus important qui influe sur la précharge. Il est donc essentiel de bien comprendre ce facteur pour ne pas trop serrer ou trop serrer le joint.

Si vous ne savez toujours pas ce dont vous avez besoin pour boulonner correctement vos joints, n'hésitez pas à contacter l'équipe d'ingénieurs qualifiés et expérimentés d'Accu. Ils peuvent vous conseiller sur ce que vous devez faire pour garantir la présence de la bonne précharge dans vos assemblages boulonnés, et vous orienter vers les bonnes qualités d'écrous et de boulons dont vous avez besoin pour votre assemblage.

Lectures complémentaires :

• Fournisseurs de écrous et de boulons au Royaume-Uni : comment se procurer des fixations de qualité pour toutes les applications.

• Fixations en acier inoxydable : couples de serrage recommandés.

• Fixations et vibrations

FAQ :

Q : Quelle est la différence entre la précharge et la force de serrage ?

R : Il s'agit de la même force vue de deux points de vue.

• La précharge est la tension axiale du boulon, tirant la tête du boulon et l'écrou l'un vers l'autre.

• La force de serrage est la compression égale et opposée agissant sur les pièces prises en sandwich entre elles.

S'il y a 10 kN de précharge dans le boulon, il y a une force de serrage de 10 kN sur le joint. Les ingénieurs ont tendance à parler de précharge lorsqu'ils s'intéressent au boulon (est-ce qu'il va céder ou se fatiguer ?) et la force de serrage lorsqu'ils concernent le joint (va-t-il glisser, se sceller ou se séparer ?).

Q : Quel doit être le niveau de précharge d'un boulon ?

R : L'objectif standard pour la plupart des joints à usage général est d'environ 75 % de la charge d'épreuve du boulon. Dans des environnements plus contrôlés où le frottement est bien caractérisé et les méthodes de serrage précises, les ingénieurs peuvent pousser jusqu'à 90 %. En montant plus haut, il n'y a pratiquement aucune marge de manœuvre quant à la dispersion de la friction, à la relaxation ou à la précision du serrage avant que le boulon ne cède.

La cible ne doit jamais dépasser la charge d'épreuve et les matériaux serrés doivent être capables de résister à la force de serrage qui en résulte sans se déformer.

Q : Pourquoi un boulon se desserre-t-il même lorsqu'il est serré au bon couple ?

R : La cause la plus fréquente est la vibration transversale. Même de petits mouvements latéraux peuvent surmonter le frottement du fil et permettre à l'écrou de tourner progressivement dans le sens du desserrage, un mécanisme connu sous le nom d'effet Junker. Parmi les autres causes, citons le relâchement de l'encastrement (tassement de surface qui réduit la précharge de 5 à 10 % peu après l'assemblage), une précharge initiale insuffisante qui rend le joint vulnérable au glissement, un cycle thermique qui modifie la force de serrage et le fluage du joint dans les joints étanches.

Dans de nombreux cas, le problème n'est pas que le couple était incorrect, mais que la précharge qui en a résulté n'était pas suffisamment élevée pour maintenir les faces du joint bloquées ensemble dans les conditions de service.

Q : La lubrification d'un boulon augmente-t-elle la précharge ?

R : Oui, pour le même couple appliqué. La lubrification réduit le facteur d'écrou (K), ce qui signifie moins de perte de couple due à la friction et une plus grande quantité de couple converti en précharge utile. Un boulon en acier sec avec un K de 0,20 produira environ la moitié de la précharge du même boulon lubrifié à un K de 0,10, au même réglage de couple.

C'est pourquoi il est essentiel d'adapter le lubrifiant à la spécification de couple. Si une valeur de couple a été calculée pour des conditions sèches et que vous appliquez du lubrifiant sans ajuster le couple à la baisse, vous risquez de surcharger le boulon au-delà de sa charge d'épreuve.

Q : Pouvez-vous mesurer directement la précharge des boulons ?

R : Oui, mais toutes les méthodes ne sont pas aussi pratiques. L'approche la plus directe consiste à mesurer l'allongement physique du boulon au micromètre avant et après le serrage, car l'étirement est directement proportionnel à la précharge. Les systèmes à ultrasons obtiennent le même résultat en synchronisant une impulsion sonore le long de la tige du boulon, avec une précision de l'ordre de 1 à 5 %. Les rondelles indicatrices de charge (DTI) fournissent une confirmation indiquant qu'une précharge minimale a été atteinte et les boulons indicateurs de charge avec retour visuel (changement de couleur ou goupilles de fixation) permettent une vérification en un coup d'œil.

Le couple seul ne permet pas de mesurer directement la précharge. Il mesure la force d'entrée et s'appuie sur des hypothèses concernant le frottement pour estimer la sortie.

Q : Que signifie le rapport couple/rendement ?

R : Le couple par rapport au rendement (TTY) est une méthode de serrage dans laquelle le boulon est délibérément poussé au-delà de sa limite d'élasticité pour provoquer une déformation plastique. Le boulon est d'abord ajusté à un couple spécifié, puis pivoté selon un angle supplémentaire qui le pousse au-delà de son élasticité.

Une fois que le matériau cède, une rotation supplémentaire produit une précharge très constante et prévisible, quelle que soit la friction. C'est pourquoi la méthode est utilisée dans des applications à hautes performances telles que les culasses automobiles et les assemblages de bielles. Le compromis est que le verrou s'est étiré de façon permanente et ne peut pas être réutilisé. Les boulons TTY sont des fixations à usage unique de par leur conception.