22ème Congrès Français de Mécanique Lyon, 24 au 28 Août 2015

Auto-relâchement des assemblages boulonnés : rôle d’un 3ème corps

K.A. KOUNOUDJI a, M. RENOUFb, G. MOLLON a, Y. BERTHIER a

a. LaMCoS, INSA-Lyon, Université de Lyon {Komla-Apelete.Kounoudji, Guilhem.Mollon, Yves.Berthier}@insa-lyon.fr b. LMGC, Université de Montpellier Mathieu.Renouf@univ-montp2.fr

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Résumé : Les assemblages boulonnés font fréquemment l’objet de perte de tension de serrage entraînant de multiples défaillances (auto-desserrage, fuite, rupture). Pour éclairer ce phénomène jusqu’à aujourd’hui incompris vu la nature confinée des contacts, une approche tribologie numérique a été adoptée. A partir des expertises tribologiques du contact filets écrou/vis, conduites après serrage et démontage sans desserrage (par découpes), la vie de ce contact a été reconstituée dans une simulation en utilisant la Méthode des Eléments Discrets.

Abstract : Bolted connections are frequently the object of clamping force loss causing multiple failures (self-loosening, leaking and breaking). To enlighten this phenomenon until now misunderstood due to the confined nature of the contacts, numerical tribology approach was adopted. From tribological expertises of nut / screw threads contact, after tightening process and disassembly without loosening (by cuts), life of this contact was reconstituted in a simulation using Discrete Elements Method.

Mots clefs : tribologie, troisième corps, auto-relâchement, éléments discrets, assemblage boulonné

1 Introduction L’assemblage par serrage de boulon constitue la méthode la plus courante pour assembler efficacement deux pièces, tout en offrant une possibilité de démontage. Quelle que soit leur forme ou leur taille, les boulons sont toujours utilisés dans un même but : réaliser des assemblages durables. Cette durabilité confère aux assemblages une intégrité structurale qu’il faut garantir ; c’est pourquoi il est capital que la tension de serrage soit maîtrisée et maintenue dans le temps. Cependant les assemblages boulonnés, que ce soit dans l’aéronautique, le spatial, l’automobile ou encore le

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ferroviaire, font fréquemment l’objet de perte de tension de serrage suite aux sollicitations dynamiques. Cette perte de tension est constatée en terme d’auto-relâchement des assemblages [1, 2], entraînant leur fissuration voire rupture [3, 4]. Pour comprendre ce phénomène d’auto-relâchement des assemblages et apporter des solutions, des investigations ont été menées par plusieurs auteurs sur les plans numérique et expérimental [2, 5, 6] ; mais ce phénomène demeure jusqu’à aujourd’hui inexpliqué.

Numériquement, Jiang et Zhang [5] après avoir fait un tour d’horizon sur la question, arrivent à la conclusion selon laquelle il apparaît des déformations plastiques en fond de filets des assemblages suite aux sollicitations de fretting entre filets et que ces déformations sont la cause de l’auto-relâchement. Cependant, dans un assemblage réel les fonds de filets ne sont pas des contacts frottants, ce sont plutôt des entrefers.

Expérimentalement, aucune grandeur physique ne permettrait d’expliquer le phénomène puisqu’il se produit très souvent sans rotation notoire de l’écrou; il est plutôt constaté. Eccles et al. [6] ont, en effet, réalisé des essais couple-tension à plusieurs cycles de serrage /desserrage avec un même couple cible. Ils constatent que la tension de serrage mesuré diminue en fonction du nombre de cycles. En réalisant des expertises tribologiques après le dernier cycle, ils ont conclu que la dégradation de revêtement réalisé sur les fixations est à l’origine de la perte de tension. Ces constats permettent-ils d’apporter une explication fondée au phénomène d’auto-relâchement des assemblages boulonnés? Quel est le lien fort entre dégradation de revêtement et perte de tension de serrage ? Dans toutes les études entreprises, par ignorance ou par incapacité de pouvoir démonter un assemblage sans le desserrer, personne ne s’est jamais intéressé à y identifier les conditions locales de contact une fois le boulon monté.

Dans cette présente étude, nous avons opté pour la tribologie numérique pour éclairer le phénomène. En restant dans une logique de non perturbation des conditions locales de contact une fois le serrage de boulon effectué, un système de bridage modèle, conçu et réalisé, a été utilisé pour démonter un assemblage sans le desserrer (par découpes). L’identification des conditions de contacts a alors permis de reconstituer la vie des contacts (ici, contacts filets écrou/vis) dans une simulation en utilisant une approche basée sur la méthode des éléments discrets. Le rôle d‘un troisième corps naturel est placé au coeur du phénomène d’auto-relâchement des assemblages boulonnés.

2 Etude expérimentale et identification des conditions de contacts de l’interface filets écrou/vis Les boulons étudiés ici sont revêtus en argent. Quelques uns des écrous et vis ont été dabord découpés avant serrage pour étudier la morphologie de l’argentage. Cette morphologie qui est un ensemble de défauts de rugosités, comme montrée sur la figures 1, sert de traceurs de conditions locales de contact pour la suite de l’étude.

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Figure 1. Morphologie de l’argentage de la vis a) et de l’écrou b) avant serrage

La stratégie de l’étude est d’identifier les conditions locales de contact des surfaces de l’assemblage (surtout les filets) sans les perturber; donc démonter sans desserrer. A cet effet, un système de bridage conçu et réalisé a été utilisé pour faire le démontage par découpes (sans desserrage!). D’après les micrographies realisées en MEB (figure 2), il y a eu un écoulement plastique des rugosités de l’argentage. Les particules détachées (3ème corps naturel) ont alors formé une mixture avec la graisse de serrage initialement appliquée sur les filets de la vis (3ème corps artificial). C’est ce 3ème corps résultant de nature ‘‘sec-solide’’ (mixture argent + graisse) qui gouverne désormais la vie du contact écrou/vis.

Figure 2. Morphologie de l’argentage des flancs de la vis a) et de l’écrou b) après serrage et démontage

b) Ecrou

a) Vis

Flanc Sommet Fond

Rugosités de l’argentage

a) b) Piste de frottement (écoulement plastique de l’argentage)

3ème corps (mixture argent+graisse)

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3 Conclusion En phase serrage de boulon, c’est un 3ème corps ‘‘sec-solide’’ qui accommode la vitesse entre une vis et un écrou. Quelle est alors l’impact de la morphologie de ce 3ème corps sur le maintien de la tension de serrage? Pour le savoir, le contact filets écrou/vis a été instrumenté numérquement via la Méthode des Eléments Discrets. L’un des rôles du 3ème corps est la transmission de charge, donc de maintien de la tension de serrage. Son extrusion du contact en sollicitations de fretting est au coeur de l’auto-relâchement des assemblages boulonnés. Remerciements: ce travail est réalisé dans le cadre du projet FUI AAP 13 CARAB (Conception Avancée Robuste pour les Assemblages Boulonnés). Les auteurs souhaitent remercier l’aide apportée par le Fonds Unique Interministériel. Références [1] Air Accident Investigation Branch Report into the crash of a Light Aircraft due to the loss of a stiffnut, http://www.aaib.gov.uk/, (2006). [2] D. Eccles, W. Tribological aspects of the self-loosening of threaded fasteners. PhD thesis, Jost Institute for Tribotechnology, University of Central Lancashire, (2010). [3] D. Croccolo , M. De Agostinis, N. Vincenzi. Failure analysis of bolted joints: Effect of friction coefficients in torque–preloading relationship. Engineering Failure Analysis, 18(1):pp. 364-373, DOI:10.1016/j.engfailanal.2010.09.015, (2011). [4] http://fr.wikipedia.org/wiki/Accident_ferroviaire_de_Br%C3%A9tigny-sur-Orge [5] Y. Jiang et M. Zhang. A study of early stage self-loosening of bolted joints. ASME J. Mech. Des., 125: 518–526, (2003). [6] W. Eccles.Tribological aspects of the self-loosening of threaded fasteners. PhD thesis, Jost Institute for Tribotechnology, University of Central Lancashire, (2010).