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DPARTEMENT PRODUCTION ET GENIE INDUSTRIEL

ASSEMBLAGES VISSES

LES TRANSPARENTS 2003/2004

MALBURET F.

Liaisons compltes : Applications et comportement de l'assemblage ralis par un lment vis ou boulon

CM - ET 2

SOMMAIRE

1. Fonctions des assemblages visss

2. Normalisation

3. Dimensionnement des assemblages visss

4. Rgles pratiques de conception des assemblages visss

5. Les procds de vissage

Les Assemblages

visss


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1. FONCTIONS DES ASSEMBLAGES VISSES

Eviter tout glissement ou dcollement Assemblage dmontable de deux pices.

Remarque :

Elment le plus faible = la vis.


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Type dassemblages filets

LES BOULONS, LES VIS ET LES GOUJONS.

Famille de vis dassemblage

Les vis mtaux

Les vis tle et autotaraudeuses

Les vis bois


CM - ET 5

2. NORMALISATION LE FILETAGE DIAMETRE NOMINAL

D au sommet des filets pour la vis d au fond des filets pour lcrou

pour lassemblage on a d=D.

PAS Le pas est normalis (E 25-030 Aot 1984). le pas gros ou pas usuel, pour la boulonnerie classique, le pas fin pour appareil de mesure, crou de faible

paisseur, filetage sur tube mince. Il y a en gnral un seul filet. SENS DE LHELICE Le pas peut tre droite ou gauche.

Filetage pas gros (1) Valeurs calcules correspondantes Diamtre

nominal (2) d=D

mm

Pas p

mm

Diamtre sur

flancs d2=D2

mm

Diamtre du noyau de la vis

d3 mm

Diamtre intrieur de lcrou

D1 mm

Rayon fond de filet (3)

R mm

Section rsistante

As

mm2

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) Dsignation: par exemple, M 10 (diamtre nominal d = 8 mm) sans indication de pas. (2) Employer de prfrence les diamtres en caractres gras. (3) r = valeur calcule du rayon de l'outil neuf profil circulaire (donne seulement titre indicatif).


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Filetage pas fin (1) Valeurs calcules correspondantes Diamtre

nominal (2) d=D

mm

Pas p

mm

Diamtre sur flancs d2=D2

mm

Diamtre du noyau de la

vis d3 mm

Diamtre intrieur de

lcrou D1 mm

Rayon fond de filet (3)

R mm

Section rsistante

As

mm2

10 1,25 9,188 8,466 8,647 0,180 61,2

(1) Dsignation: par exemple, M 10 x 1.25 (diamtre nominal d = 10 mm et p = 1.25 mm).

PROFIL DU FILETAGE

Profil mtrique ISO (voir la norme)

Profils spciaux ( ! au prix de revient) trapzodal Rond (Matriels ferroviaires) Dissymtrique (Arme) Profils pour gaz (cylindrique ou conique)


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CLASSES DE QUALITE VIS

Les classes de qualit des vis et goujons

Exemple : 6.8

Classe de qualit des vis Caractristiques mcaniques 3.6 4.6 4.8 5.6 5.8 6.6 6.8 6.9 8.8 10.9 12.9

333 392 490 588 784 980 1176 Rsistance min la traction (MPa)max480 539 686 784 980 1176 1372

90 110 140 170 225 280 330 Duret Brinell min (HB) max 150 170 215 245 300 365 425 Limite lastique (MPa)

196 235 313 294 392 352 470 529 627 882 1058

CROU

Exemple : classe 6. Le chiffre correspond au 1/100 de la contrainte exerce dans la vis sans dformation notable de lcrou. BOULON

La classe de lcrou doit correspondre la classe de la vis.

100Rm

m

e

RR10


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3. DIMENSIONNEMENT DES ASSEMBLAGES 1. PEU DE SOLLICITATIONS Surdimensionnement systmatique

2. EFFORTS MOYENS OU IMPORTANTS, NECESSITE

DANALYSER. ANALYSE NON OPTIMISEE - METHODE A

Justifi par le cot de ltude, Estimations arbitrairement de certains

paramtres Pas deffets compte des effets dynamiques.

OPTIMISATION METHODE B

Contraintes de scurit fortes sollicitations, contraintes de fatigues importantes, contraintes de poids ou dencombrement.

Chargement faiblement excentr Efforts excentrs importants


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METHODE A ASSEMBLAGES NON OPTIMISES

Estimation des efforts extrieurs

1

Nombre de vis N Prcharge ncessaire F0

2

Classe de qualit et diamtre d

Couple de serrage Cs

3

Rsistance mcanique

4 Vrification au matage


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Etape 1 : Estimation de la prcharge et du nombre de vis Les efforts se rpartissent UNIFORMMENT sur chaque vis

FE : effort extrieur tendant dcoller les pices TE : effort extrieur tendant faire glisser les pices

Prcharge F0 (garantit le non glissement et le non dcollement)

( )+> tanTFF EE0

f=tan() : coefficient de frottement entre pices assembles

TE

FE

FE

TE


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Etape 2 : Estimation de la qualit et du diamtre d

NORME (voir tableau)

Classe de qualit, Diamtre nominal d Prcision de serrage

Le couple de serrage Cs Dispersion de F0

Remarque : coefficient de frottement moyen tan() dans le filetage et sous la tte : tan() = 0.10 lubrification adapte de bonne qualit tan() = 0.15 lubrification sommaire (tat de livraison) tan() = 0.20 montage sec

Assemblage non optimis

conditions de pose assez peu prcises (C ou D)


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Exemple : F0 = 15000 N ncessaires

Diamtre d : 10 mm Classe 8-8 Prcision de serrage type C, avec des vis en tat de livraison,

le couple de serrage Cs est de 31 N.m, F0 peut varier de 17892 N 26838 N.


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Etape 3 : Vrification de la tenue mcanique

( ) eimaxqu R85.0


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Exemple : Pour une diamtre 10 mm de classe 8-8, le rayon moyen est de 6.5 mm. Le couple 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 diamtre quivalent est de 8.60 mm et As = 58 mm2

La contrainte de traction maxi est de 380 MPa et la contrainte de torsion de 74 MPa. La contrainte quivalente de Von Mises est de 400 MPa. Une vis de classe 8-8 une limite lastique de 600 MPa environ (voir le tableau).

Le systme est OK

Exemple : Pour une diamtre 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 pice, en acier tremp revenu, rsistera au matage.


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Etape 4 : Vrification de la tenue au matage

admimax PP < Pression de matage sous tte de vis

( )m

max0imax A

FP =

Avec

( )2b2em DD4A pi

=

- De : diamtre extrieur dappui sous tte ou sous crou ou sous

rondelle - Db : diamtre intrieur de passage de la vis

Pression admissible Padm Nature Dsignation et caractristiques Padm

[MPa] 0.16 < C% < 0.22 240 0.35 < C% < 0.40 280

Etat recuit

0.42 < C% < 0.48 320 R > 900 MPa 750

Acier Etat tremp

Revenu R > 1200 MPa 1000

De Db


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METHODE B ASSEMBLAGES OPTIMISES Norme E 25-30

ORGANIGRAMME Si les vrifications en 2, 4 et 6 ne sont pas satisfaites ou si le choix

savre surdimensionn, on modifie les donnes initiales.

1 Caractristiques ncessaires au calcul

2 Vrification de la tenue de la vis (Dynamique)

4 Calcul de la contrainte maximale et choix de la classe de qualit

3 Calcul de la tension minimale requise

6 Vrification de la pression sous tte

5 Calcul du couple de serrage appliquer


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Cas particulier ASSEMBLAGE SOUMIS A DES CHARGES AXIALES

DINTENSITE VARIABLE Ltude des efforts extrieurs permet danalyser et de quantifier :

La nature des sollicitations Tangentielles Axiales Composes

Les modes de sollicitations Statique Dynamique

Etape 1 Analyse des donnes ncessaires au calcul Section rsistance de la vis

2322

quis 2dd

4d

4A

+pi=

pi=

avec deq = d 0.9382 P Les abaques donnent les valeurs de As (ou Ar) Surface dappui sous tte

( )2b2em dd4A pi

=

- de : diamtre extrieur dappui sous tte

- db : diamtre du trou de passage de la vis


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Raideur de lassemblage Rigidit de la vis

++

+=

Ad4.0l

Ad4.0l

E1

K1 1

s

0

BB

- EB : module de Young de la vis - A : aire de la section de diamtre d, l1 la longueur non filete - As : aire de la section rsistance de la partie filete dqu, l0 la

longueur filete Rigidit des pices assembles

=i

i

mA EL

S1

K1

= iT LL


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DETERMINATION DE SM : Tube

( )2b2am dd4S pi

=

Surface finie

( ) ( ) ( ) x2xddd8

dd4

S eae2b

2am +

pi+

pi=

31

2a

eT

ddL

x

= serrage par crou

Surface infinie

( ) ( ) x2xLd4

dd4

S Te2b

2am +

pi+

pi=

( )31

2eT

eT

dLdL

x

+= serrage par crou


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Rapport de rigidit

( )( )+++

=1KK

1KBA

B

correction due au point dapplication des efforts extrieurs/plan de reprise correction due la troncature des surfaces de reprise des efforts Etape 2 : Vrification de la tenue de la vis en dynamique Analyse tat de contraintes dans la vis d

s

dynEd A

F=

Critre dendurance : critre pratique

admd

Dimensions de la vis adm [MPa] M4 M8 60

M10 M16 50 M18 M30 40


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Etape 3 : Calcul de la tension minimale requise Tension minimale :

( ) ( ) sEE

0 A100F1tanTT ++

=

1 effort pour viter le glissement de lassemblage. 2 effort pour viter le soulvement du leffort axial. 3 effets de fluage ou tanchit. Etape 4 : Contrainte maximale et classe de qualit Incertitude de serrage :

2 1 3


CM - ET 25

Contrainte quivalente de VON MISES

( ) ( ) ( ) 2max2

s

maxEmax0maxqu

3A

FF+

+=

3qu

Tmax d

C16pi

=

( ) ( ))tan(d583.0p16.0FC s2max0T +=

Etape 5 : Couple de serrage appliquer

( ) ( ))tan(r)tan(d583.0p16.0FC tms2moy0S ++=

tan(f) : coefficient de frottement au niveau des filets tan(t) : coefficient de frottement au niveau de la tte

( ) ( )

21FF

min0moy0+

=

p pas de filetage


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Etape 6 : Vrification de la pression sous tte

( ) ( )( )2b2e

maxEmax0a

DD4

FFP

pi

+=

Il faut vrifier que ;

adma PP Padm : voir le tableau correspondant


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5. REGLES PRATIQUES DE CONCEPTION Conseils pour la conception des assemblages Choix des lments de fixations Il est conseill dutiliser des produits normaliss, de prfrence

pas gros. Le choix de lentranement de la vis (tte hexagonale, fente,

empreinte,) dpends de divers paramtres : passage de loutil, couple, type de montage,

On prfre les crous hexagonaux plutt que les carrs (sauf cas particulier), hauteur normale.

Dans le couple vis crou les normes prvoient que dans un assemblage serr jusqu la rupture, la vis doit cder avant lcrou. Exemple dassociation

8.8 pour la vis 8 pour lcrou Pour le choix dune rondelle (il ny pas de classe de qualit) on se bornera choisir une rondelle de duret au moins gale celle de la vis. Dgagements pour outils Dans la gomtrie des zones dassemblage, il ne faut pas oublier la place pour les moyens de montage et de dmontage (systmes mcaniques, manuels,).


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CM - ET 29

tat de surface Il est dconseill de rectifier les surfaces de contact. Un surface trop lisse ne permettant pas de conserver un film lubrifiant ventuel au moment du serrage (augmentation de la dispersion sur le coefficient de frottement, risque de grippage,) Longueur Filet Pour obtenir une rpartition optimal des contraintes, il est souhaitable de prvoir au minimum 6 pas libres sous la surface de porte de lcrou. Lextrmit du filetage doit en gnral comporter 2 pas libres. La longueur de filets en prise pour un taraudage est au moins gale (d diamtre nominal de la vis) :

1xd dans lacier 1,5xd dans la fonte 2xd dans laluminium et ces alliages

Choix particuliers Dans le cas ou les efforts sont assez importants, pour viter un nombre trop grand de vis ou des tailles trop importantes, il est recommand dviter de sollicit les vis en cisaillement, on prfrera la transmission defforts par adhrence ou par lintermdiaire dobstacles supplmentaires (goupille,).


CM - ET 30

Cas des pices cylindriques


CM - ET 31

Cas des pices prismatiques


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Cas des liaisons par brides


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6. LES PROCEDES DE VISSAGES Visser correctement est un facteur de scurit et un problme conomique (les lments surdimensionns sont coteux). Prsentation des mthodes de vissages Vissages au couple On visse jusqu' lobtention dun couple rsistant. Cest la mthode la plus utilise, facile mettre en uvre (manuelle par cl dynamomtrique ou automatique par couplemtre dans la chane de vissage). La dispersion est leve au niveau de la force de prcontrainte (25%) car elle dpend du coefficient de frottement, sur le filetage et sous la tte, qui est difficile matriser. Cette dispersion est mieux matrise en utilisant une lubrification au niveau des filets grce des vernis spciaux mais qui ont pour inconvnient daugmenter le prix de revient de lassemblage. Vissage langle Il consiste dtecter la mise en place des pices de lassemblage en observant la monte en couple, puis visser dun angle dtermin. La valeur de langle est gnralement dtermine exprimentalement sur une srie de boulons quips de jauges pour obtenir une force de prcontrainte. La dispersion des rsultats est faible, la difficult rside en la dtection de la monte en couple qui sert de point de dpart pour le comptage de langle. Ce type de procd est essentiellement automatique. Vissage la limite dlasticit


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Cette mthode consiste arrter le vissage lorsque lon atteint la limite lastique du matriau. Elle peut tre utilis manuellement (par des cls spciales) ou automatiquement. Cette mthode la proprit dtre de haute prcision (7% derreur sur la prcontrainte), il ny a pas de plastification de la vis. Il faut parfaitement dimensionner lassemblage et avoir un contrle de qualit de la visserie. On ne peut pas mettre de rondelle dont le glissement perturberait la mesure. Les vis peuvent tre rutilises en toute scurit sans risque de rupture. Mesure par ultrason On mesure lallongement de la vis et son tat de contrainte par la diffrence de temps de trajet et son amortissement. Le rsultat est assez dpendant de ltat de surface de la tte du boulon, un paralllisme entre les deux faces u boulon.

Matriel Valeurs

du couple

Classe de prcision du couple de

serrage

Manuel

Motoris portatif

Motoris

fixe

D (20% 50%)

Cls chocs simples

Visseuses crabots

50 N.m 50 N.m


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C (10% 20%)

Cls dynamomtriques dclenchement simple

Visseuses

simples calage pneumatique ou lectrique

Cls chocs nergie emmagasine

Cls renvoie dangle calage

400 N.m

10 N.m

10 N.m

20 N.m

B (5% 10%)

Cls dynamomtriques dclenchement et rarmement automatique

Cls

renvoie dangle dclenchement

Moteurs

pneumatiques

Moteurs pulsations

Visseuses hydrauliques

800 N.m

80 N.m

sans

limitation

sans limitati

on

sans limitati

on


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A < 5%

Cls dynamomtriques lectroniques

Moteurs

asservis lectroniquement

Visseuses lectriques

10 N.m

sans

limitation

sans limitati

on


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BIBLIOGRAPHIE Techniques de lingnieur, trait Mcanique et Chaleur.

Assemblages par lments filets - Form. B 5 567 NORMES AFNOR, E 25-030 - Elments de fixation. Assemblages

visss. Conception, calcul et conditions de montage Aot 1984

Construction mcanique industrielle- Barlier C., Bourgeois R.,

Virot Fernand Ed. FOUCHER - Paris 1997


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3. LA RUPTURE EN SERVICE DES ASSEMBLAGES VISSES Analyse statistique des cassures Cette analyse a t ralis partir de 200 cas industriels considrs reprsentatifs dans un laboratoire danalyse des avaries (CETIM). type de cassure Ruptures brutales sous chargement monotone, statique ou sous l'effet d'un choc de type fragile (sans dformation macroscopique) ductile (existence dune striction et allongement permanent) Ruptures progressives de fatigue sous sollicitations d'amplitude variable


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Autres types de rupture rencontrs mais non prsents ici : Rupture par fluage sous linfluence du temps, de la charge et de la

temprature, Rupture par corrosion, due lattaque chimique lie

lenvironnement avec ou sans charge.


CM - ET 40

lieu des cassures

Position des cassures

0

10

20

30

40

50

Filets Sous tte Fut

%

FatigueRupt. Brutale

Analyse des causes de rupture

Composante Exemples de dfauts Usinage, mise ne forme Dfaut d'usinage du filet, du raccordement

sous tte Traitement thermique Dcarburation superficielle

Tapure de trempe Traitement de surface Fragilisation de l'hydrogne Conception Mauvais choix de la classe de boulonnerie

Mauvais dimensionnement Effort de flexion trop important dans la vis


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Choix d'acier Nuance non approprie la dimension Montage Sous serrage

Rondelle inadquates Sur serrage

Conditions d'emploi Chocs accidentels Vibrations parasites


CM - ET 42

Principales causes de rupture

0 10 20 30 40 50

Condition d'emploi

Montage

Choix d'acier

Conception

Traitement de surface

Traitement thermique

Usinage - mise en forme

%

Rupt. BrutaleFatigue

CONCLUSION Plus dun cas sur deux de cassure est du un phnomne de

fissuration par fatigue. Ce processus est dangereux car il apparat systmatiquement en fonctionnement.

Plus de la moiti de ces ruptures par fatigue proviennent de

conditions de montage inadquates. Ceci signifie que ces avaries pourraient tre vites sans apporter de modifications radicales de lassemblage, mais simplement en sassurant de conditions de montage (serrage en particulier ) de qualit.

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