La fiche technique du mois #FTDM 2
Qu'est-ce que le couple de serrage ?
Un couple est une force appliquée F à l’extrémité d’une longueur L par un bras de levier créant un moment de rotation. Il peut s’exprimer en Newton-mètre (N.m).
Couple de serrage = Force (F) x Distance (L).
On applique à un assemblage boulonné un couple moteur de serrage C, de préférence sur l’écrou, à l’aide d’une clef. Le couple appliqué au serrage a pour but d’assurer une précontrainte dans l’assemblage.
Ce couple peut être défini par la relation suivante :
C = C1 + C2
où C1 est le couple dû aux forces de contact des filets de la vis sur l’écrou et C2 le couple dû aux forces de contact de la rondelle sur l’écrou.
Dans un assemblage précontraint, la vis est soumise à une tension (F0) et les pièces serrées à une compression. Les vis en acier de classe de qualité 8.8, 10.9 et 12.9 sont des éléments de fixation à utiliser en mécanique plus ou moins sollicitée. Leurs allongements de 8 à 12 % exigent des précautions d’emploi : ces vis sont à utiliser en tension de précontrainte au montage.
COMMENT CALCULER UN COUPLE DE SERRAGE ?
Formule du couple de serrage (Kellerman & Klein)
La formule de Kellerman et Klein relie le couple et la précontrainte par la relation suivante :
C0 = F0 (0.16P + μmoy (0.583 d2 + rm))
Où C0 : couple à appliquer à la vis ou à l’écrou,
F0 : tension de précontrainte souhaitée après serrage,
d2 : diamètre nominal à flanc de filet de la vis,
rm : rayon moyen de surface sous tête,
P : pas du filetage,
μmoy : coefficient de frottement moyen sous tête et dans les filets,
IMPACT DES FROTTEMENTS SUR LA PRECONTRAINTE :
Lors d’un serrage au couple, une fraction très réduite de ce couple est en réalité traduite en précontrainte. 40 à 70 % de ce couple est dispersé par frottement dans les filets et 40 à 60 % par frottement sous tête. Par conséquent, seulement 10 à 20 % du couple de serrage est transformé en précontrainte. Ceci implique que pour obtenir une bonne maîtrise de la tension installée dans l’assemblage, il est nécessaire de disposer de fixations avec un faible coefficient de frottement peu dispersif.
MAITRISE DES COEFFICIENTS DE FROTTEMENT :
Comment maîtriser les coefficients de frottement ?
Il est indispensable d’éliminer tout grippage entre les filets et le taraudage en contact, car le grippage peut se produire de manière inattendue et peut entraîner une incapacité de mise en tension de la vis. Il est donc nécessaire d’utiliser une lubrification au montage.
Voici les valeurs obtenues pour différents états de surface :
μmoy ≈ 0.10. Obtenus avec des vis phosphatées lubrifiées à l’aide d’une huile ou graisse performante.
μmoy ≈ 0.15. Élément de fixation revêtu (ex : zinc électrolytique) + passivation suivie d’une lubrification ; boulonnerie traitée par une oxydation noire et d’une lubrification sommaire.
μmoy ≈ 0.20. Visserie noire non lubrifiée.
μmoy ≈ 0.25. Visserie revêtue non lubrifiée.
Au-dessus de 0.25 , il est inutile d’envisager un serrage au couple, car la précontrainte ne pourra pas être obtenue de manière satisfaisante. Lorsque les frottements sont élevés, seul des assemblages de faibles précontraintes peuvent être réalisés.
Les coefficients de frottements inférieurs à 0.20 avec une faible dispersion (± 0.02) ne peuvent être obtenus qu’avec une visserie de qualité :
- qualité des filetages (tolérances, états de surface)
- qualité de l’état de surface sous tête ou sous la face d’écrou (planéité)
LES MOYENS DE SERRAGE :
Lors d’un serrage, l’incertitude sur le couple appliqué est fortement impactée par le procédé de serrage. Ceci se manifeste pour les outils de serrage classiques par une dispersion non négligeable sur la valeur de précontrainte qui existe réellement dans l’assemblage, i.e. la précontrainte installée.
À chaque outil de serrage est associé une incertitude sur le couple :
- Clés dynamométriques : ± 10 %
- Visseuses rotatives : ± 15 %
- Clés à choc : ± 25 %
- Clés à fourche : ± 40 %
Les clefs dynamométriques restent des outils de serrage très précis. Celles-ci peuvent être à lecture directe ou à déclenchement à cliquet, cassure ou débrayable. Les clefs à choc ne permettent pas d’appliquer un couple de serrage avec précision.
Les dispersions obtenues sur la tension sont dues aux dispersions observées sur les coefficients de frottement et les moyens de serrage. Lorsqu’un boulon est soumis à une traction axiale, l’effort maximal Fmax installé par le serrage au couple ne doit pas dépasser 90 % de la limite d’élasticité Re de la fixation. Cette dernière est déduite à partir de la classe de qualité de la vis, du goujon ou de la tige filetée.
On peut dire qu’en fonction du coefficient de frottement, un couple élevé peut conduire à installer une précharge faible et inversement. De la même manière, un procédé de serrage classique entrainera une dispersion importante sur la précontrainte. De nos jours, l’amélioration des procédés de serrage est une problématique fondamentale dans la réalisation des assemblages à partir d’éléments filetées.
3 . TABLEAU DES COUPLES DE SERRAGE
Exemple pour CHC Holo-Krome
| Diamètre nominal (mm) | Pas P (mm) | Diamètre sur flancs d2 (mm) | Diamètre extérieur sous tête Dext (mm) | Diamètre intérieur sous tête Dint (mm) | Rayon moyen d'appui sous tête rm (mm) | Section résistance As (mm²) | Cs (Nm) | Cs (Nm) | Cs (Nm) | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| μf = 0.10 8.8 |
μf = 0.15 8.8 |
μf = 0.20 8.8 |
μf = 0.10 10.9 |
μf = 0.15 10.9 |
μf = 0.20 10.9 |
μf = 0.10 12.9 |
μf = 0.15 12.9 |
μf = 0.20 12.9 |
|||||||
| 1,6 | 0,35 | 1,373 | 2,72 | 2 | 1,19 | 1,27 | 0,166 | 0,230 | 0,295 | 0,233 | 0,324 | 0,415 | 0,280 | 0,389 | 0,498 |
| 2 | 0,4 | 1,740 | 3,48 | 2,6 | 1,53 | 2,07 | 0,338 | 0,472 | 0,607 | 0,475 | 0,664 | 0,854 | 0,570 | 0,797 | 1,025 |
| 2,5 | 0,45 | 2,208 | 4,18 | 3,1 | 1,83 | 3,39 | 0,667 | 0,937 | 1,208 | 0,937 | 1,318 | 1,699 | 1,125 | 1,582 | 2,039 |
| 3 | 0,5 | 2,675 | 5,07 | 3,6 | 2,19 | 5,03 | 1,171 | 1,654 | 2,136 | 1,647 | 2,326 | 3,004 | 1,976 | 2,791 | 3,605 |
| 4 | 0,7 | 3,545 | 6,53 | 4,7 | 2,83 | 8,78 | 2,706 | 3,807 | 4,908 | 3,805 | 5,354 | 6,902 | 4,566 | 6,424 | 8,282 |
| 5 | 0,8 | 4,480 | 8,03 | 5,7 | 3,47 | 14,2 | 5,349 | 7,558 | 9,767 | 7,522 | 10,629 | 13,736 | 9,027 | 12,755 | 16,483 |
| 6 | 1 | 5,350 | 9,38 | 6,8 | 4,08 | 20,1 | 9,055 | 12,759 | 16,462 | 12,733 | 17,942 | 23,150 | 15,280 | 21,530 | 27,780 |
| 8 | 1,25 | 7,188 | 12,33 | 9,2 | 5,42 | 36,6 | 21,758 | 30,763 | 39,768 | 30,597 | 43,261 | 55,924 | 36,717 | 51,913 | 67,109 |
| 10 | 1,5 | 9,026 | 15,33 | 11,2 | 6,69 | 58 | 42,609 | 60,349 | 78,090 | 59,918 | 84,666 | 109,814 | 71,902 | 101,839 | 131,777 |
| 12 | 1,75 | 10,863 | 17,23 | 13,7 | 7,77 | 84,3 | 72,940 | 103,367 | 133,794 | 102,571 | 145,360 | 188,148 | 123,086 | 174,432 | 225,777 |
| 14 | 2 | 12,701 | 20,17 | 15,7 | 9,01 | 115 | 115,514 | 163,851 | 212,187 | 162,442 | 230,415 | 298,388 | 194,930 | 276,498 | 358,066 |
| 16 | 2 | 14,701 | 23,17 | 17,7 | 10,28 | 157 | 177,240 | 252,999 | 328,758 | 249,244 | 355,780 | 462,315 | 299,093 | 426,936 | 554,778 |
| 20 | 2,5 | 18,376 | 28,87 | 22,4 | 12,89 | 245 | 346,199 | 494,210 | 642,221 | 486,842 | 694,983 | 903,124 | 584,210 | 833,979 | 1083,749 |
| 24 | 3 | 22,051 | 34,81 | 26,4 | 15,4 | 353 | 597,414 | 852,745 | 1108,075 | 840,114 | 1199,172 | 1558,231 | 1008,137 | 1439,007 | 1869,877 |
| 30 | 3,5 | 27,727 | 43,61 | 33,4 | 19,37 | 561 | 1181,389 | 1691,659 | 2201,929 | 1661,329 | 2378,896 | 3096,462 | 1993,595 | 2854,675 | 3715,755 |
| 36 | 4 | 33,402 | 52,54 | 39,4 | 23,14 | 817 | 2050,311 | 2941,610 | 3832,908 | 2883,250 | 4136,639 | 5390,027 | 3459,900 | 4963,666 | 6468,032 |
Filetage à pas gros (mm). Précharge à 80% Re min de la classe de qualité. Cs=F0 moy×(0,16P+μmoy(0.583d2+rm))
FAQ – Couple de serrage
Comment calculer un couple de serrage ?
Pour calculer un couple de serrage, vous partez d’abord de la précontrainte cible F0 (tension souhaitée dans la vis après serrage), puis vous reliez cette précontrainte au couple en tenant compte de la géométrie de l’assemblage (pas, diamètres) et surtout des frottements. Le couple est un moment mécanique et peut se rappeler simplement par la relation C = F × L (force × bras de levier).
Attention : en serrage “au couple”, une grande partie de l’énergie est dissipée dans les frottements dans les filets et sous la tête/écrou. C’est pour cela qu’un même couple peut donner des précontraintes très différentes si l’état de surface, la rondelle, le revêtement ou la lubrification changent.
Quelle formule utiliser pour calculer le couple de serrage ?
Si vous souhaitez une formule cohérente avec la fiche technique présentée, vous pouvez utiliser la formule de Kellermann & Klein, qui relie le couple à appliquer C0 et la précontrainte souhaitée F0 :
C0 = F0 × (0,16P + μmoy × (0,583 d2 + rm))
- C0 : couple à appliquer (sur la vis ou l’écrou)
- F0 : précontrainte souhaitée après serrage
- P : pas du filetage
- d2 : diamètre sur flancs (diamètre nominal au flanc du filet)
- rm : rayon moyen de surface d’appui sous tête / sous écrou
- μmoy : coefficient de frottement moyen (filets + sous tête/écrou)
Cette formule a l’avantage d’intégrer explicitement μ, qui est le paramètre qui fait le plus varier la précontrainte réellement obtenue à couple identique.
Pourquoi la précontrainte varie-t-elle autant quand vous serrez “au couple” ?
Parce que le couple appliqué sert d’abord à vaincre les frottements (dans les filets et sous la tête/écrou) avant de transformer une partie du couple en tension dans la vis.
En conséquence, une variation de lubrification, de revêtement ou d’état de surface peut modifier fortement la précontrainte obtenue, même si le couple affiché sur l’outil reste identique.
Quel coefficient de frottement (μ) viser pour un serrage au couple fiable ?
En règle générale, vous obtiendrez une meilleure répétabilité lorsque le coefficient de frottement est faible et peu dispersif. Dans la fiche technique, plusieurs valeurs indicatives sont citées selon l’état de surface et la lubrification (ex. vis phosphatées lubrifiées ≈ 0,10 ; visserie noire non lubrifiée ≈ 0,20 ; visserie revêtue non lubrifiée ≈ 0,25).
Au-delà d’environ μ > 0,25, le serrage au couple devient généralement trop aléatoire si vous cherchez une précontrainte maîtrisée, car les frottements “absorbent” l’essentiel du couple.
Quelles sont les erreurs fréquentes qui faussent un couple de serrage ?
- Changer la lubrification (ou oublier de lubrifier) sans recalculer/valider le couple.
- Mélanger des rondelles ou états de surface différents (surface d’appui sous tête/écrou).
- Utiliser un outil inadapté à l’exigence de précision (ex. outil à chocs pour un serrage critique).
- Serrer sur des filetages sales, endommagés ou grippés (risque d’impossibilité de montée en tension)
Faut-il serrer sur l’écrou ou sur la tête de vis ?
Idéalement, vous standardisez votre méthode : serrage sur l’écrou ou sur la tête, mais avec des conditions répétables (mêmes états de surface, même rondelle/face d’appui, même lubrification). Le point clé est de maîtriser les zones de frottement qui participent au couple total et donc à la précontrainte obtenue.
Comment choisir l’outil de serrage pour limiter la dispersion ?
Plus votre assemblage est critique, plus il est important d’utiliser un outil et un procédé capables de limiter l’incertitude sur le couple appliqué et de mieux contrôler la précontrainte.
La fiche technique rappelle des ordres de grandeur d’incertitudes selon les outils (clé dynamométrique, visseuse rotative, clé à choc, clé à fourche), ce qui explique pourquoi certaines méthodes/solutions sont préférées en assemblage contrôlé.
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