Assemblages vissés

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Assemblages vissés

  1. 1. DÉPARTEMENT PRODUCTION ET GENIE INDUSTRIEL ASSEMBLAGES VISSES LES TRANSPARENTS 2003/2004MALBURET F.
  2. 2. Liaisons complètes : Applications et comportement de lassemblage réalisé par un élément vis ou boulon SOMMAIRE Les Assemblages vissés 1. Fonctions des assemblages vissés 2. Normalisation 3. Dimensionnement des assemblages vissés 4. Règles pratiques de conception des assemblages vissés 5. Les procédés de vissageCM - ET 2
  3. 3. Liaisons complètes : Applications et comportement de lassemblage réalisé par un élément vis ou boulon1. FONCTIONS DES ASSEMBLAGES VISSES Eviter tout glissement ou décollement Assemblage démontable de deux pièces.Remarque : Elément le plus faible = la vis.CM - ET 3
  4. 4. Liaisons complètes : Applications et comportement de lassemblage réalisé par un élément vis ou boulonType d’assemblages filetés LES BOULONS, LES VIS ET LES GOUJONS.Famille de vis d’assemblage  Les vis à métaux  Les vis à tôle et autotaraudeuses  Les vis à boisCM - ET 4
  5. 5. Liaisons complètes : Applications et comportement de lassemblage réalisé par un élément vis ou boulon2. NORMALISATION LE FILETAGE DIAMETRE NOMINAL D au sommet des filets pour la vis d au fond des filets pour l’écroupour l’assemblage on a d=D. PASLe pas est normalisé (E 25-030 Août 1984). le pas gros ou pas usuel, pour la boulonnerie classique, le pas fin pour appareil de mesure, écrou de faible épaisseur, filetage sur tube mince.Il y a en général un seul filet. SENS DE L’HELICELe pas peut être à droite ou à gauche.CM - ET 5
  6. 6. Filetage à pas gros (1) Diamètre Pas p Valeurs calculées correspondantes nominal (2) Diamètre Diamètre Diamètre Rayon à Section d=D sur du noyau intérieur fond de résistante flancs de la vis de l’écrou filet (3) As d2=D2 d3 D1 R mm mm mm mm mm mm2 mm 6 1 5,350 4,773 4,918 0,144 20,1 (7) 1 6,350 5,773 5,918 0,144 28,9 8 1,25 7,188 6,466 6,647 0,180 36,6 10 1,5 9,026 8,160 8,376 0,21d 58,0 12 1,75 10,863 9,853 10,106 0,253 84,3 14 2 12,701 11,546 11,835 0,289 115 16 2 14,701 13,546 13,835 0,289 157 18 2,5 16,376 14,933 15,294 0,361 192 20 2,5 18,376 16,933 17,294 0,361 245(1) Désignation: par exemple, M 10 (diamètre nominal d = 8 mm) sans indication depas.(2) Employer de préférence les diamètres en caractères gras.(3) r = valeur calculée du rayon de loutil neuf à profil circulaire (donnéeseulement à titre indicatif).
  7. 7. Liaisons complètes : Applications et comportement de lassemblage réalisé par un élément vis ou boulonCM - ET 7
  8. 8. Liaisons complètes : Applications et comportement de lassemblage réalisé par un élément vis ou boulon Filetage à pas fin (1) Diamètre Pas p Valeurs calculées correspondantes nominal (2) Diamètre sur Diamètre du Diamètre Rayon à fond Section d=D flancs noyau de la intérieur de de filet (3) résistante d2=D2 vis l’écrou R As d3 D1 mm mm mm mm mm mm mm2 10 1,25 9,188 8,466 8,647 0,180 61,2 (1) Désignation: par exemple, M 10 x 1.25 (diamètre nominal d = 10 mm et p = 1.25 mm).CM - ET 8
  9. 9. PROFIL DU FILETAGE Profil métrique ISO (voir la norme) Profils spéciaux ( ! au prix de revient) trapézoïdal Rond (Matériels ferroviaires) Dissymétrique (Armée) Profils pour gaz (cylindrique ou conique)
  10. 10. Liaisons complètes : Applications et comportement de lassemblage réalisé par un élément vis ou boulon CLASSES DE QUALITE VISLes classes de qualité des vis et goujons Exemple : 6.8 Rm 10 R e 100 Rm Caractéristiques Classe de qualité des vis mécaniques 3.6 4.6 4.8 5.6 5.8 6.6 6.8 6.9 8.8 10.9 12.9Résistance min 333 392 490 588 784 980 1176à la traction (MPa)max 480 539 686 784 980 1176 1372Dureté Brinell min 90 110 140 170 225 280 330(HB) max 150 170 215 245 300 365 425Limite élastique 196 235 313 294 392 352 470 529 627 882 1058(MPa) ÉCROUExemple : classe 6.Le chiffre correspond au 1/100 de la contrainte exercée dans la vissans déformation notable de l’écrou. BOULONLa classe de l’écrou doit correspondre à la classe de la vis.CM - ET 10
  11. 11. Liaisons complètes : Applications et comportement de lassemblage réalisé par un élément vis ou boulon3. DIMENSIONNEMENT DES ASSEMBLAGES1. PEU DE SOLLICITATIONS Surdimensionnement systématique2. EFFORTS MOYENS OU IMPORTANTS, NECESSITE D’ANALYSER. ANALYSE NON OPTIMISEE - METHODE A Justifié par le coût de l’étude, … Estimations arbitrairement de certains paramètres Pas d’effets compte des effets dynamiques. OPTIMISATION METHODE B Contraintes de sécurité fortes sollicitations, contraintes de fatigues importantes, contraintes de poids ou d’encombrement. Chargement faiblement excentré Efforts excentrés importantsCM - ET 11
  12. 12. Liaisons complètes : Applications et comportement de lassemblage réalisé par un élément vis ou boulonMETHODE A – ASSEMBLAGES NON OPTIMISES Estimation des efforts extérieurs 1 Nombre de vis N Précharge nécessaire F0 2 Classe de qualité et diamètre d Couple de serrage Cs 3 Résistance mécanique 4 Vérification au matageCM - ET 12
  13. 13. Liaisons complètes : Applications et comportement de lassemblage réalisé par un élément vis ou boulonEtape 1 : Estimation de la précharge et du nombre de visLes efforts se répartissent UNIFORMÉMENT sur chaque vis FE : effort extérieur tendant à décoller les pièces TE : effort extérieur tendant à faire glisser les pièces FE TE TE FEPrécharge F0 (garantit le non glissement et le non décollement) TE F0 > FE + tan (ϕ)f=tan(ϕ) : coefficient de frottement entre pièces assembléesCM - ET 13
  14. 14. Liaisons complètes : Applications et comportement de lassemblage réalisé par un élément vis ou boulonEtape 2 : Estimation de la qualité et du diamètre d NORME (voir tableau) Classe de qualité, Diamètre nominal d Précision de serrage Le couple de serrage Cs Dispersion de F0Remarque :coefficient de frottement moyen tan(µ) dans le filetage et sous latête : tan(µ) = 0.10 lubrification adaptée de bonne qualité tan(µ) = 0.15 lubrification sommaire (état de livraison) tan(µ) = 0.20 montage à sec Assemblage non optimisé conditions de pose assez peu précises (C ou D)CM - ET 14
  15. 15. Liaisons complètes : Applications et comportement de lassemblage réalisé par un élément vis ou boulonExemple :F0 = 15000 N nécessairesDiamètre d : 10 mmClasse 8-8Précision de serrage type C, avec des vis en état delivraison,le couple de serrage Cs est de 31 N.m,F0 peut varier de 17892 N à 26838 N.CM - ET 15
  16. 16. Liaisons complètes : Applications et comportement de lassemblage réalisé par un élément vis ou boulonEtape 3 : Vérification de la tenue mécanique (σ ) équ max i < 0.85 R e - Re limite d’élasticité de la vis. - σéqu contrainte équivalente de Von Mises σ équ = σ 2 + 3τ 2 F 16 C′ σ max i = 0 τ max i = As π d3 équPar définition : C′ = Cs − (F0 )moy rmoy tan(µ) Serrage Pertes au collier rmoyCM - ET 16
  17. 17. Liaisons complètes : Applications et comportement de lassemblage réalisé par un élément vis ou boulonExemple :Pour une diamètre 10 mm de classe 8-8, le rayon moyen est de 6.5 mm. Lecouple de frottement est de Cf=22365x6.5x10-3x0.15=21,8 Nm.Le couple de serrage est de 31 Nm. Le couple apparent est de 9,2 Nm.Le diamètre équivalent est de 8.60 mm et As = 58 mm2La contrainte de traction maxi est de 380 MPa et la contrainte de torsion de 74 MPa.La contrainte équivalente de Von Mises est de 400 MPa.Une vis de classe 8-8 à une limite élastique de 600 MPa environ (voir letableau). Le système est OKExemple :Pour une diamètre 10 mm de classe 8-8, la surface Am est de 87.96 mm2.La pression maxi est alors de 305 MPa.Dans ce cas la vis et la pièce, en acier trempé revenu, résistera au matage.CM - ET 17
  18. 18. Liaisons complètes : Applications et comportement de lassemblage réalisé par un élément vis ou boulonEtape 4 : Vérification de la tenue au matage Pmax i < PadmPression de matage sous tête de vis (F0 )max Pmax i = AmAvec π 2 Am = 4 ( De − D2 b ) - De : diamètre extérieur d’appui sous tête ou sous écrou ou sous rondelle - Db : diamètre intérieur de passage de la vis De Db Pression admissible Padm Nature Désignation et caractéristiques Padm [MPa] 0.16 < C% < 0.22 240 Etat recuit 0.35 < C% < 0.40 280 Acier 0.42 < C% < 0.48 320 Etat trempé R > 900 MPa 750 Revenu R > 1200 MPa 1000CM - ET 18
  19. 19. Liaisons complètes : Applications et comportement de lassemblage réalisé par un élément vis ou boulonMETHODE B – ASSEMBLAGES OPTIMISESNorme E 25-30 ORGANIGRAMME 1 – Caractéristiques nécessaires au calcul 2 – Vérification de la tenue de la vis (Dynamique) 3 – Calcul de la tension minimale requise 4 – Calcul de la contrainte maximale et choix de la classe de qualité 5 – Calcul du couple de serrage à appliquer 6 – Vérification de la pression sous têteSi les vérifications en 2, 4 et 6 ne sont pas satisfaites ou si le choix s’avère surdimensionné, on modifie les données initiales.CM - ET 19
  20. 20. Liaisons complètes : Applications et comportement de lassemblage réalisé par un élément vis ou boulon Cas particulier ASSEMBLAGE SOUMIS A DES CHARGES AXIALES D’INTENSITE VARIABLEL’étude des efforts extérieurs permet d’analyser et de quantifier : La nature des sollicitations Tangentielles Axiales Composées Les modes de sollicitations Statique DynamiqueEtape 1 – Analyse des données nécessaires au calculSection résistance de la vis π 2 π  d + d3  2 A s = d équi =  2  4 4 2 avec deq = d – 0.9382 PLes abaques donnent les valeurs de As (ou Ar)Surface d’appui sous tête π 2 Am = 4 ( de − d2 b ) - de : diamètre extérieur d’appui sous tête- db : diamètre du trou de passage de la visCM - ET 20
  21. 21. Liaisons complètes : Applications et comportement de lassemblage réalisé par un élément vis ou boulonRaideur de l’assemblageRigidité de la vis 1 1  l0 + 0.4 d l1 + 0.4 d  =  +  K B E B  As A  - EB : module de Young de la vis - A : aire de la section de diamètre d, l1 la longueur non filetée - As : aire de la section résistance de la partie filetée déqu, l0 la longueur filetéeRigidité des pièces assemblées 1 1 Li = K A Sm ∑E i LT = ∑ LiCM - ET 21
  22. 22. Liaisons complètes : Applications et comportement de lassemblage réalisé par un élément vis ou boulonDETERMINATION DE SM : Tube π 2 Sm = 4 ( da − d2 b ) Surface finie π 2 π Sm = 4 ( 2 8 ) d a − d b + d e (d a − d e ) (x + 2 ) x 1 L d  3 x = T2 e  d  serrage par écrou  a  Surface « infinie » π 2 π Sm = 4 ( b 4 ) d a − d 2 + d e L T (x + 2 ) x 1  LT de  3 x =   (L + d )2  serrage par écrou  T e CM - ET 22
  23. 23. Liaisons complètes : Applications et comportement de lassemblage réalisé par un élément vis ou boulonRapport de rigidité λ K B (1 + β) λ=α K A + K B (1 + β)α correction due au point d’application des efforts extérieurs/plande repriseβ correction due à la troncature des surfaces de reprise des effortsEtape 2 : Vérification de la tenue de la vis en dynamiqueAnalyseÉtat de contraintes dans la vis σd FE dyn σd = λ AsCritère d’endurance : critère pratique σd ≤ σadm Dimensions de la vis σadm [MPa] M4 à M8 60 M10 à M16 50 M18 à M30 40CM - ET 23
  24. 24. Liaisons complètes : Applications et comportement de lassemblage réalisé par un élément vis ou boulonEtape 3 : Calcul de la tension minimale requiseTension minimale : + (1 − λ ) FE + 100 A s TE T0 = tan (ϕ) 1 2 31 effort pour éviter le glissement de l’assemblage.2 effort pour éviter le soulèvement du à l’effort axial.3 effets de fluage ou étanchéité.Etape 4 : Contrainte maximale et classe de qualitéIncertitude de serrage :CM - ET 24
  25. 25. Liaisons complètes : Applications et comportement de lassemblage réalisé par un élément vis ou boulonContrainte équivalente de VON MISES  (F ) + λ (FE )max  2 (σ )équ max =  0 max   + 3 τ2  max  As  16 CT τ max = π d3 équ CT = (F0 )max (0.16 p + 0.583 d 2 tan(µs ) )Etape 5 : Couple de serrage à appliquer CS = (F0 )moy (0.16 p + 0.583 d 2 tan(µs ) + rm tan(µ t ) ) tan(µf) : coefficient de frottement au niveau des filets tan(µt) : coefficient de frottement au niveau de la tête (F0 )moy = (F0 )min 1 + γ 2 p pas de filetageCM - ET 25
  26. 26. Liaisons complètes : Applications et comportement de lassemblage réalisé par un élément vis ou boulonEtape 6 : Vérification de la pression sous tête (F0 )max + γ(FE )max Pa = π 2 4 ( De − D2 b )Il faut vérifier que ; Pa ≤ PadmPadm : voir le tableau correspondantCM - ET 26
  27. 27. Liaisons complètes : Applications et comportement de lassemblage réalisé par un élément vis ou boulon5. REGLES PRATIQUES DE CONCEPTIONConseils pour la conception des assemblagesChoix des éléments de fixations Il est conseillé d’utiliser des produits normalisés, de préférence à pas gros. Le choix de l’entraînement de la vis (tête hexagonale, fente, empreinte,…) dépends de divers paramètres : passage de l’outil, couple, type de montage,… On préfère les écrous hexagonaux plutôt que les carrés (sauf cas particulier), à hauteur normale.Dans le couple vis écrou les normes prévoient que dans un assemblageserré jusqu’à la rupture, la vis doit céder avant l’écrou.Exemple d’association 8.8 pour la vis 8 pour l’écrouPour le choix d’une rondelle (il n’y pas de classe de qualité) on sebornera à choisir une rondelle de dureté au moins égale à celle de lavis.Dégagements pour outilsDans la géométrie des zones d’assemblage, il ne faut pas oublier laplace pour les moyens de montage et de démontage (systèmesmécaniques, manuels,…).CM - ET 27
  28. 28. Liaisons complètes : Applications et comportement de lassemblage réalisé par un élément vis ou boulonCM - ET 28
  29. 29. Liaisons complètes : Applications et comportement de lassemblage réalisé par un élément vis ou boulonÉtat de surfaceIl est déconseillé de rectifier les surfaces de contact. Un surfacetrop lisse ne permettant pas de conserver un film lubrifiant éventuelau moment du serrage (augmentation de la dispersion sur lecoefficient de frottement, risque de grippage,…)Longueur FiletéPour obtenir une répartition optimal des contraintes, il estsouhaitable de prévoir au minimum 6 pas libres sous la surface deportée de l’écrou. L’extrémité du filetage doit en général comporter2 pas libres.La longueur de filets en prise pour un taraudage est au moins égale à(d diamètre nominal de la vis) : 1xd dans l’acier 1,5xd dans la fonte 2xd dans l’aluminium et ces alliagesChoix particuliersDans le cas ou les efforts sont assez importants, pour éviter unnombre trop grand de vis ou des tailles trop importantes, il estrecommandé d’éviter de sollicité les vis en cisaillement, on préférerala transmission d’efforts par adhérence ou par l’intermédiaired’obstacles supplémentaires (goupille,…).CM - ET 29
  30. 30. Liaisons complètes : Applications et comportement de lassemblage réalisé par un élément vis ou boulonCas des pièces cylindriquesCM - ET 30
  31. 31. Liaisons complètes : Applications et comportement de lassemblage réalisé par un élément vis ou boulonCas des pièces prismatiquesCM - ET 31
  32. 32. Liaisons complètes : Applications et comportement de lassemblage réalisé par un élément vis ou boulonCas des liaisons par bridesCM - ET 32
  33. 33. Liaisons complètes : Applications et comportement de lassemblage réalisé par un élément vis ou boulon6. LES PROCEDES DE VISSAGESVisser correctement est un facteur de sécurité et un problèmeéconomique (les éléments surdimensionnés sont coûteux).Présentation des méthodes de vissagesVissages au coupleOn visse jusquà l’obtention d’un couple résistant. C’est la méthode laplus utilisée, facile à mettre en œuvre (manuelle par clédynamométrique ou automatique par couplemètre dans la chaîne devissage).La dispersion est élevée au niveau de la force de précontrainte(±25%) car elle dépend du coefficient de frottement, sur le filetageet sous la tête, qui est difficile à maîtriser.Cette dispersion est mieux maîtrisée en utilisant une lubrification auniveau des filets grâce à des vernis spéciaux mais qui ont pourinconvénient d’augmenter le prix de revient de l’assemblage.Vissage à l’angleIl consiste à détecter la mise en place des pièces de l’assemblage enobservant la montée en couple, puis à visser d’un angle déterminé.La valeur de l’angle est généralement déterminée expérimentalementsur une série de boulons équipés de jauges pour obtenir une force deprécontrainte.La dispersion des résultats est faible, la difficulté réside en ladétection de la montée en couple qui sert de point de départ pour lecomptage de l’angle.Ce type de procédé est essentiellement automatique.Vissage à la limite d’élasticitéCM - ET 33
  34. 34. Liaisons complètes : Applications et comportement de lassemblage réalisé par un élément vis ou boulonCette méthode consiste à arrêter le vissage lorsque l’on atteint lalimite élastique du matériau.Elle peut être utilisé manuellement (par des clés spéciales) ouautomatiquement.Cette méthode à la propriété d’être de haute précision (7% d’erreursur la précontrainte), il n’y a pas de plastification de la vis.Il faut parfaitement dimensionner l’assemblage et avoir un contrôlede qualité de la visserie.On ne peut pas mettre de rondelle dont le glissement perturberait lamesure.Les vis peuvent être réutilisées en toute sécurité sans risque derupture.Mesure par ultrasonOn mesure l’allongement de la vis et son état de contrainte par ladifférence de temps de trajet et son amortissement.Le résultat est assez dépendant de l’état de surface de la tête duboulon, un parallélisme entre les deux faces u boulon. Classe Matérielde précision Valeursdu couple de du serrage couple Manuel Motorisé Motorisé portatif fixe D Clés à chocs ≥ 50 (±20% à simples N.m ±50%) Visseuses à ≤ 50 crabots N.mCM - ET 34
  35. 35. Liaisons complètes : Applications et comportement de lassemblage réalisé par un élément vis ou boulon C Clés ≤ 400 (±10% à dynamométriqu N.m ±20%) es à Visseuses déclenchement simples à ≤ 10 simple calage N.m pneumatiqu e ou électrique ≤ 10 Clés à chocs N.m à énergie emmagasiné ≤ 20 e N.m Clés à renvoie d’angle à calage B Clés ≤ 800 (±5% à dynamométriqu N.m ±10%) es à déclenchement Clés à et réarmement renvoie ≤ 80 automatique d’angle à Moteurs N.m déclenchem pneumati ent ques sans Moteurs limitati à on pulsation s sans Visseuse limitati s on hydrauliq ues sans limitati onCM - ET 35
  36. 36. Liaisons complètes : Applications et comportement de lassemblage réalisé par un élément vis ou boulon A Clés ≤ 10 < ±5% dynamométriqu N.m es Moteurs électroniques asservis sans électroni limitati quement on Visseuse s sans électriqu limitati es onCM - ET 36
  37. 37. Liaisons complètes : Applications et comportement de lassemblage réalisé par un élément vis ou boulon BIBLIOGRAPHIE Techniques de l’ingénieur, traité Mécanique et Chaleur. Assemblages par éléments filetés - Form. B 5 567 NORMES AFNOR, E 25-030 - Eléments de fixation. Assemblages vissés. Conception, calcul et conditions de montage– Août 1984 Construction mécanique industrielle- Barlier C., Bourgeois R., Virot Fernand Ed. FOUCHER - Paris – 1997CM - ET 37
  38. 38. Liaisons complètes : Applications et comportement de lassemblage réalisé par un élément vis ou boulon3. LA RUPTURE EN SERVICE DES ASSEMBLAGES VISSESAnalyse statistique des cassuresCette analyse a été réalisé à partir de 200 cas industriels considérésreprésentatifs dans un laboratoire d’analyse des avaries (CETIM). type de cassureRuptures brutales sous chargement monotone, statique ou sous leffet dun choc de type fragile (sans déformation macroscopique) ductile (existence d’une striction et allongementpermanent)Ruptures progressives de fatigue sous sollicitations damplitude variableCM - ET 38
  39. 39. Liaisons complètes : Applications et comportement de lassemblage réalisé par un élément vis ou boulonAutres types de rupture rencontrés mais non présentés ici : Rupture par fluage sous l’influence du temps, de la charge et de la température, Rupture par corrosion, due à l’attaque chimique liée à l’environnement avec ou sans charge.CM - ET 39
  40. 40. Liaisons complètes : Applications et comportement de lassemblage réalisé par un élément vis ou boulon lieu des cassures Position des cassures 50 40 30 Fatigue % Rupt. Brutale 20 10 0 Filets Sous tête Fut Analyse des causes de rupture Composante Exemples de défautsUsinage, mise ne forme Défaut dusinage du filet, du raccordement sous têteTraitement thermique Décarburation superficielle Tapure de trempeTraitement de surface Fragilisation de lhydrogèneConception Mauvais choix de la classe de boulonnerie Mauvais dimensionnement Effort de flexion trop important dans la visCM - ET 40
  41. 41. Liaisons complètes : Applications et comportement de lassemblage réalisé par un élément vis ou boulonChoix dacier Nuance non appropriée à la dimensionMontage Sous serrage Rondelle inadéquates Sur serrageConditions demploi Chocs accidentels Vibrations parasitesCM - ET 41
  42. 42. Liaisons complètes : Applications et comportement de lassemblage réalisé par un élément vis ou boulon Principales causes de rupture Usinage - mise en forme Rupt. Brutale Traitement thermique Fatigue Traitement de surface Conception Choix dacier Montage Condition demploi 0 10 20 30 40 50 % CONCLUSION Plus d’un cas sur deux de cassure est du à un phénomène de fissuration par fatigue. Ce processus est dangereux car il apparaît systématiquement en fonctionnement. Plus de la moitié de ces ruptures par fatigue proviennent de conditions de montage inadéquates.Ceci signifie que ces avaries pourraient être évitées sans apporterde modifications radicales de l’assemblage, mais simplement ens’assurant de conditions de montage (serrage en particulier ) dequalité.CM - ET 42

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