Comment réduire le risque de desserrage des fixations filetées ?

Lors de la conception des assemblages, la planification de la précharge minimale attendue générée par les boulons peut efficacement éviter le risque de desserrage. Si vous n'utilisez pas de « facteur de sécurité » et que vous concevez plutôt une précharge moyenne, de nombreux boulons risquent de se desserrer. Vous devez également tenir compte de la perte de précharge due à l'encastrement, qui se produit généralement dans les filetages et sous la surface de contact entre la tête du boulon et l'écrou lorsque la surface de contact se stabilise.

Comprendre les attaches filetées

En fait, les fixations filetées jouent un rôle essentiel dans tout produit technique, aussi complexe soit-il. Un avantage clé des attaches filetées par rapport à la plupart des autres méthodes de connexion est qu’elles sont amovibles et réutilisables. Cette caractéristique est souvent une raison importante pour laquelle les fixations filetées se démarquent et sont préférées aux autres méthodes de connexion. Ils jouent souvent un rôle essentiel dans le maintien de l’intégrité structurelle du produit. Cependant, il ne faut pas oublier que les fixations filetées sont également souvent une source majeure de problèmes dans les machines et autres composants. Cela est dû en partie au fait qu'ils peuvent se desserrer par inadvertance.

Le desserrage automatique des fixations filetées est un phénomène depuis le début de la révolution industrielle. Les inventeurs ont passé les 150 dernières années à chercher des solutions efficaces pour prévenir ce phénomène. De nombreuses méthodes courantes de verrouillage des fixations filetées ont été inventées il y a plus de 100 ans. Cependant, ce n’est que récemment que les principaux mécanismes conduisant à l’auto-desserrage ont été compris. En fait, il existe de nombreux mécanismes différents qui conduisent au desserrage des fixations filetées, qui peuvent être grossièrement divisés en deux catégories : le desserrage par rotation et le desserrage sans rotation.

Desserrage avec et sans rotation

Dans la grande majorité des applications, les fixations filetées sont serrées pour appliquer une précharge au joint. Le desserrage peut être défini comme la perte de précharge ultérieure une fois le processus de serrage terminé. Cela peut se produire de deux manières. Le desserrage par rotation, souvent appelé auto-desserrage, se produit lorsque la fixation tourne sous une charge externe. Le desserrage sans rotation se produit lorsqu'il n'y a pas de mouvement relatif entre les filetages interne et externe, mais qu'une perte de précharge se produit.

Desserrage des fixations dû à un desserrage sans rotation

Un desserrage sans rotation peut se produire en raison de la déformation de la fixation elle-même ou du joint après l'assemblage. Cela peut être le résultat d’un effondrement plastique partiel de ces interfaces.

Lorsque deux surfaces entrent en contact l’une avec l’autre, les aspérités de chaque surface supportent une charge portante. Étant donné que la surface de contact réelle peut être nettement inférieure à la surface apparente, même sous des charges modérées, les aspérités sont supérieures à la limite d'élasticité du matériau.

Surfaces agrandies montrant le contact des aspérités

Cela provoque un effondrement partiel des surfaces une fois l'opération de serrage terminée. Ce pliage est souvent appelé encastrement. La quantité de force de serrage perdue en raison de l'encastrement dépend de la rigidité du boulon et de l'assemblage, du nombre d'interfaces de boulon présentes dans l'assemblage, de la rugosité de la surface et des contraintes d'appui appliquées. Dans des conditions de contrainte de surface modérées, l'effondrement initial entraîne généralement une perte d'environ 1 % à 5 % de la force de serrage dans les premières secondes suivant le serrage du joint. Lorsque le joint est ensuite soumis à une charge dynamique provenant des forces appliquées, il se produit une réduction supplémentaire en raison des changements de pression qui se produisent aux interfaces du joint.

Le desserrage dû à la perte d'encastrement est problématique dans les joints qui comprennent plusieurs surfaces de contact minces et une petite longueur de serrage des boulons. Si la contrainte d'appui superficielle est maintenue en dessous de la limite d'élasticité en compression du matériau du joint, la quantité de perte d'encastrement peut être calculée et le joint peut être conçu pour compenser cette perte.

Théorie de Junker sur l'auto-desserrage des fixations

Gerhard Junker a publié un article technique en 1969 ('A New Standard for Self-Loosening of Fasteners Under Vibration' SAE Paper 690055, 1969) présentant les résultats des tests qu'il avait effectués pour étayer sa théorie sur les raisons pour lesquelles les attaches filetées s'auto-desserrent. . Sa principale découverte : les fixations précontraintes peuvent se desserrer par rotation dès qu'un mouvement relatif se produit entre les filetages correspondants et entre la surface d'appui de la fixation et le matériau serré. Junker a découvert que les charges dynamiques transversales produisent des conditions d'auto-desserrage beaucoup plus sévères que les charges axiales dynamiques. La raison en est que le mouvement radial sous des charges axiales est nettement inférieur au mouvement radial sous des charges transversales.

Mouvement transversal dans les assemblages boulonnés

Junker a montré que les attaches précontraintes peuvent s'auto-desserrer lorsqu'un mouvement relatif se produit entre les filetages d'accouplement et la surface d'appui de l'attache. Ce mouvement relatif se produit lorsque les forces transversales agissant sur l'assemblage sont supérieures à la résistance de frottement créée par la précharge du boulon. Pour les petits déplacements transversaux, un mouvement relatif peut se produire entre les flancs du filetage et les surfaces de contact dans la zone d'appui. Une fois le jeu du filetage surmonté, le boulon sera soumis à des forces de flexion et, si le glissement latéral continue, la surface d'appui de la tête du boulon glissera. Une fois initiés, les filetages et la tête du boulon seront temporairement exempts de friction. Le couple de fermeture interne présent en raison de la précharge agissant sur l'angle d'hélice du filetage crée une rotation corrélée entre l'écrou et le boulon.

Sous l'effet de mouvements latéraux répétés, ce mécanisme peut desserrer complètement l'attache. Pour étudier les causes du desserrage, Junker a développé une machine d'essai, appelée « machine Junker », qui quantifiera l'efficacité des propriétés anti-desserrage de la conception des fixations.

Les roulements à rouleaux sont utilisés pour éliminer les effets de frottement entre le plateau mobile et le plateau fixe. Les cellules de pesée peuvent surveiller en permanence la charge du boulon tandis qu'un mouvement latéral est appliqué à la plaque mobile sur laquelle l'écrou est serré. Il s'agit d'un avantage majeur par rapport aux normes d'essai d'impact, car la perte de précharge peut être mesurée pendant l'essai et tracée en fonction de la précharge en fonction de la période. L'idée derrière la machine Junker est que le déplacement latéral créé par la came provoque un mouvement de bascule dans la fixation. Surmonter le frottement dans la fixation crée une action d'auto-desserrage.

Courbes de relâchement des tests de vibrations Junker

Des tests tels que le test Junker (détails du test dans la spécification DIN 65151) permettent de comparer les performances de différentes conceptions de fixations à l'auto-desserrage. Au cours des deux dernières décennies, de nombreux travaux ont été réalisés pour étudier les conceptions de fixations existantes afin de les comparer au desserrage dû aux vibrations. Afin de faire une comparaison valable, il est essentiel que la même amplitude soit utilisée car cela a un impact significatif sur les résultats. Les résultats de tests typiques pour une rondelle élastique hélicoïdale sont présentés ici.

Certains tests ont montré que le fait de placer une rondelle élastique hélicoïdale sous la tête du boulon peut accélérer le desserrage, d'autres tests ont montré que l'utilisation d'une telle rondelle donne des performances similaires à l'utilisation d'un boulon sans aucun dispositif de verrouillage. De nombreux grands fabricants OEM sont conscients de ces résultats et ne spécifient plus de telles rondelles dans leurs normes internes. Cependant, à en juger par l’utilisation continue de ces rondelles, de nombreuses organisations semblent ignorer ces résultats.

De nombreux dispositifs de verrouillage pour fixations filetées sont basés soit sur l'empêchement du mouvement relatif du filetage entre le filetage du boulon et de l'écrou (comme avec les écrous à insert en nylon), soit sur l'empêchement du mouvement de l'écrou par rapport au joint (comme avec divers types de rondelles de blocage). ). Cependant, Junker et d’autres chercheurs ultérieurs ont souligné l’importance de prévenir les mouvements latéraux des articulations. Les joints boulonnés sont conçus de telle sorte que la force de serrage des boulons soit suffisante pour empêcher le mouvement latéral provoqué par le frottement entre les plaques de joint et empêcher le desserrage. Ceci peut être réalisé au stade de la conception en sélectionnant la taille et la résistance des fixations de manière à ce que la précharge puisse générer une friction suffisante pour empêcher les charges externes de provoquer un mouvement du joint.

Conclusions

Concernant le phénomène d'auto-desserrage des fixations filetées, on pense généralement que le mouvement des articulations, en particulier le glissement latéral entre les filetages des boulons et la surface d'appui, est la cause principale et que les vibrations ne sont pas le facteur le plus critique. Si une précharge suffisante peut être obtenue du boulon pour maintenir le joint stationnaire, alors il n'est pas nécessaire de recourir à des dispositifs de verrouillage supplémentaires car la friction est suffisante pour maintenir les pièces fermement ensemble. Lors de la conception avec des fixations filetées, le problème principal est de garantir que la précharge est suffisante pour maintenir les pièces fermement en place, même face à des conditions de friction changeantes. La figure ci-dessous montre l'effet des changements de friction sur la précharge des boulons. En règle générale, les spécifications de serrage définissent une plage de couples permettant de répondre aux exigences d'assemblage du joint tout en tenant compte de l'économie. Lorsque cette plage de couple est prise en compte, ainsi que les couples principaux possibles (avec limites maximales et minimales), un diagramme peut être dessiné montrant la variation de précharge due aux différentes spécifications d'assemblage. Concevoir l'assemblage en fonction de la précharge minimale attendue générée par les boulons élimine efficacement le risque de desserrage. D'un autre côté, si le « facteur de sécurité » n'est pas appliqué et que la conception est basée sur la précharge moyenne, de nombreux boulons risquent de se desserrer. De plus, une certaine tolérance doit être prise en compte pour la perte de précharge due à l'encastrement dans la zone filetée et sous la tête du boulon et la face de l'écrou lorsque la surface de contact se stabilise. Afin de contrôler l'encastrement, il est nécessaire de s'assurer que les contraintes d'appui sur la face de l'écrou, la tête du boulon et à l'intérieur du joint se situent toujours dans la plage de contraintes d'appui maximale autorisée par les matériaux serrés. Dans certains cas où le mouvement des joints ne peut être évité, comme par exemple le mouvement des joints provoqué par la dilatation thermique, des dispositifs de verrouillage fiables doivent être utilisés.