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Le guide techniquedu serrage
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A Introduction4 La matrise des assemblages boulonnes
B Les mthodes traditionnelles de serrage6 Le serrage au couple
10 Le serrage par longation thermique
11 Le serrage par traction mcanique
C Le serrage par traction hydraulique12 Prsentation
14 Les avantages du serrage par traction hydraulique
15 Les dispositifs de contrle du serrage par traction hydraulique
D Analyse technique du serrage
E Comparaison entre un serrageau couple et un serrageau tendeur hydraulique
23 Le serrage dun assemblage existant
30 La conception dun assemblage nouveau
F Le serrage simultan par la traction hydraulique34 Le serrage simultan de 100% des boulons de lassemblage
36 Le serrage simultan de 50% des boulons de lassemblage
38 Le serrage simultan de 25% des boulons de lassemblage
G Conclusion40 SKF France - HYDROCAM
H SKF The Knowledge Engineering Company
Table des matires
La marque SKF acquiert une nouvelle
dimension et apporte encore plus ses
clients.
Tout en continuant simposer comme
rfrence mondiale en matire de rou-
lements haute qualit, SKF sest pro-
gressivement orient vers la fourniture
de solutions compltes, en axant ses
efforts sur les avances technologiques,le support technique et les services, afin
doffrir une plus grande valeur ajoute
ses clients.
Ces solutions sont conues pour procu-
rer au client des moyens doptimiser sa
productivit : outre des produits de
pointe adapts aux diffrentes applica-
tions, SKF propose dsormais des outils
performants de simulation et daide
la conception, des conseils, des program-
mes efficaces de maintenance des ma-
chines et les techniques les plus moder-nes de gestion des approvisionnements.
Aujourdhui, la marque SKF reprsente
bien plus quun simple gage de qualit
en matire de roulements.
SKF the knowledge engineering
company
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Bien serrer un boulon consiste utiliser aumieux ses proprits lastiques.
Un boulon qui travaille dans de bonnesconditions se comporte comme un vritableressort.
Le serrage introduit en effet une
prcharge axiale de tension. Cette tensionest bien videmment gale et oppose lacompression qui sexerce sur la structureserre, nous lappellerons : effort deserrage .
On sait que parmi les diffrentes causes dedfaillances (surcharge, dfaut de conception,dfaut de fabrication), la plus frquente estun dfaut de montage.
Le serrage, insuffisant, excessif ouhtrogne, reprsente lui seul 30%
des dfaillances.Plus particulirement, en ce qui concerneles incidents de fatigue, 45% dentreeux sont dus un dfaut de montage( diagramme 1).
Les assemblages boulonns sont sans douteles systmes de liaison les plus utiliss enmcanique.
Pour les mettre en uvre, on utilise :
dne part, des lments de visserie :
vis plus crou goujon implant plus crou goujon plus deux crous, un chaque
extrmit du goujon. Ces lments peuvent comporter des
rondelles de divers types ( fig. 1). Datre part, des moyens de serrage dont
ltude fait justement lobjet du prsentguide.
Dans la site d texte, nos tiliserons le
terme gnrique boulon qui recouvre lestrois types de visserie mentionns ci-dessus.
Malgr leur simplicit apparente, lesassemblages boulonns posent de nombreuxproblmes au concepteur, au monteur et au
charg de maintenance.Ils font encore trop souvent lobjet demthodes de calcul rudimentaires. Celaconduit leur surdimensionnement sansgarantir pour autant la scurit ncessaire.Bien au contraire
La conception et la mise en uvre dunassemblage boulonn ncessitent unemthodologie rigoureuse car des erreurspeuvent provoquer des dfaillances auxconsquences extrmement lourdes, souventtrs coteuses et parfois dramatiques.
De nombreses tdes montrent qe les
incidents rencontrs sur les assemblagesboulonns sont, dans la majorit des cas,dus aux mauvaises conditions dans lesquellesles assemblages ont t dfinis (analyse,conception, calculs, choix des composants) oumis en uvre (mthode de serrage, outillage,contrle).
Introduction
Fig. 1
Principales causes de dfaillances des assemblages boulonns en fatigue
Diagramme 1
Dfaut de montage (45%)
Dfaut de fabrication
Dfaut de conception
Dfaut de traitement thermique
Mauvaise utilisation
Mauvais choix des matriaux
Dfaut de traitement de surface
Vis plus crou Goujon implant plus crou Goujon plus deux crous
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M10
M12
Fig. 2
TractionCompression
tanchit Cisaillement Desserragespontan
Sollicitationsdynamiques
Introduction
Leffort de serrage est destin principalement,
selon les applications, :
assrer la rigidit d montage et li
permettre de supporter les sollicitationsextrieures de traction, compression,flexion et cisaillement
garantir et maintenir ne tanchit
viter le travail a cisaillement des bolons
rsister ax effets de desserrage spontan
rdire linflence des sollicitations
dynamiques externes sur la fatiguede la boulonnerie ( fig. 2).
Tout cela videmment, en sassurant queles pices concernes boulonnerie et picesassembles travaillent en de de leur limite
lastique.Le serrage est optimum quand le boulonnest ni trop ni trop peu serr. Cest unevidence quil nest pas inutile de rappeler !
Une dfaillance du boulon peut se produireaussi bien et mme plus souvent quandcelui-ci nest pas assez serr que lorsquil esttrop serr.
La matrise desassemblagesboulonnesIl est fondamental de matriser parfaitementle niveaux de leffort de serrage et la prcisionavec laquelle il est atteint afin dassurer lesperformances requises pour lassemblageboulonn.
Cette matrise du serrage permet, dsla conception de lassemblage, dutiliser aumieux les caractristiques mcaniques de laboulonnerie ( fig. 3). Voir le paragraphe Caractristiques mcaniques de laboulonnerie .
Dans ce Gide techniqe d serrage ainsi que dans le catalogue Tendeurs debolons HYDROCAM Systmes de serrage
industriels , les bureaux dtudes trouverontles informations thoriques et pratiques pouroptimiser la conception des assemblagesboulonns et les oprationnels les indicationspour matriser le serrage.
Fig. 3
Serrage nonmatris :assemblagesurdimensionn
Serrage matris :optimisation delassemblage
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L
dd - Dd
L + DL
F
A
0
dA
Caractristiques mcaniquesde la boulonnerie
Les boulons sont le plus souvent en acier.Lacier, comme tous les mtaux, se comportecomme un ressort (au moins dans le domainelastique), il obit la loi de Hooke.
Quand on applique un effort de tractionau boulon comme pour une prouvettede traction, on peut observer le graphiqueci-contre ( diagramme 2).
Tout mode de serrage doit sassurer que lacontrainte dans la vis ou le goujon ne dpasse
jamais le point A (limite lastiqe), mme
aprs serrage quand on applique en serviceles forces extrieures sur lassemblage( fig. 4).
Quand on parle de matriaux, il fautconsidrer les caractristiques suivantes :
E = module dlasticit longitudinaleou module dYoung :
F L FL sLE = = = S L SL L
o :F = effortS = section
L = longueur
DL= longation
qL s F w ==
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Les mthodes traditionnellesde serrage
Il existe plusieurs mthodes de serrage quisont toutes autant diffrentes dans leurprincipe que dans la qualit du serragequelles procurent.
Examinons les plus connues et les plusutilises.
Le serrage au coupleCest incontestablement la mthode deserrage la plus rpandue. Quand le diamtredes boulons ne dpasse pas 30 mm, elleprsente lavantage dune simplicit de miseen uvre.
Mais, malgr les dveloppementsthoriques et les exprimentations dontelle a fait lobjet, cette mthode prsenteintrinsquement de nombreux inconvnients.
Caractristiques du serrage au
coupleUne grande imprcision de leffort
de serrage
Le rsultat du serrage final dpend en effetdes coefficients de frottement au niveau desfilets crou/vis et au niveau du contact crou/surface.
Or, dans la pratique, il est impossible debien matriser ces paramtres.
Ainsi, por n mme cople nominal vis,
la dispersion dans la tension finale de serragedu boulon pourra se situer entre 20%
dans les meilleurs cas et 60% dans les casextrmes ( tableau 1).
Cette grande dispersion est due lacombinaison de trois phnomnes :
limprcision sr le cople de serrage
appliqu qui peut varier de 5% 50%selon loutil utilis ( tableau 2)
les dfats gomtriqes et les tats de
surface des pices assembles et de laboulonnerie
la lbrification des srfaces en contact.
Lintroduction de contraintes parasites
de torsion
La mthode de serrage au couple provoquedans le boulon, en plus de la contrainteaxiale de traction recherche, lapparitiondune contrainte de torsion parasite dontle niveau peut atteindre plus de 30% de lacontrainte de traction.
La contrainte rsultante quivalente dansle boulon (critre de Von Mises ou critre deTresca) est ainsi fortement augmente etpeut dpasser la limite lastique du matriau
alors que la valeur de la contrainte de traction elle seule reste situe dans des limitesacceptables ( fig. 5).
De pls, cette contrainte rsidelle de
torsion prsente un autre inconvnient : ellepeut faciliter le desserrage intempestif enfonctionnement.
Datre part, le cople tant le pls
souvent appliqu de manire asymtrique,il y a mme de la flexion. Son faible nivea
permet souvent de la ngliger, mais, dans lescas limites, i l convient den tenir compte.
Prcision de leffort de serrage en fonction du moyen utilis pour appliquer le couple
Tableau 1
Moyen de serrage Prcision sur la prcharge g
Cl dynamomtrique 20% 1,5
Visseuse rotative avec talonnage priodique sur le montage(mesure dallongement de la vis ou mesure la cldynamomtrique du couple de serrage)
20% 1,5
Cl chocs avec adaptation de rigidit et talonnage calibrationpriodique sur le montage (au moins aux mesures
la cl dynamomtrique du couple de serrage par lot)
40% 2,5
Cl main 60% 4
Cl chocs sans talonnage 60% 4
F0 maxig== coefficient dincertitude de serrage. F0 mini
(Sorce : extrait de la norme NF E 25-030 reprodit avec latorisation de lAFNOR.)
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Dispersion du couple de serrage en usage industriel
(Sorce : extrait de la norme NF E 25-030 reprodit avec latorisation de lAFNOR.)
Tableau 2
Classe de prcisiondu couple de serrage
MatrielManuel portatif
Motoris portatif Motoris fixe
Utilisation
D 20% 50% Cls chocs simples 50 Nm
Visseuses crabots 50 Nm
C 10% 20% Visseuses simples calagepneumatique
10 Nm
Visseuses simples calage lectrique 10 Nm
Cls chocs nergie emmagasine(barre de torsion ou autre procd)
10 Nm
Cls renvoi dangle calage 20 Nm
Cls dynamomtriques dclenchement simple(voir E 74-325)
400 Nm
Moteurs pneumatiques simples Sans limitation
B 5% 10% Visseuses hydrauliques
Cls dynamomtriques dclenchement rarmementautomatique
800 Nm
Cls dynamomtriques lecture directe cadran
2 000 Nm
Cls renvoi dangle dclenchement
80 Nm
Moteurs pneumatiques contrle
de couple
Sans limitation
Moteurs pulsations Sans limitation
A< 5% Visseuses lectriques Sans limitation
Cls dynamomtriqueslectroniques
400 Nm
Moteurs deux vitesses Sans limitation
Moteurs asservis lectroniquement Sans limitation
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seq
A B x
x
A B x
Mt
N
A B
Tth
F0
rssfs
sc
Fig. 5
Une dtrioration des tats de surface
Le frottement des pices sous des efforts
importants provoque des dtriorations dessurfaces en contact : filets vis/crou et facescrou/structure serre.
Lors dun prochain serrage, cettedtrioration des surfaces, entranera uneaugmentation des forces de frottement et,de ce fait, une plus grande imprcision surla tension, finale de serrage ( fig. 6).
Des difficults de desserrage
Il est souvent beaucoup plus difficile dedesserrer un boulon serr au couple quede le serrer. La dgradation des surfaces
dj voque et les problmes de corrosionimposent souvent la mise en uvre duncouple de desserrage trs lev qui peutparfois provoquer des dtriorations delassemblage.
Les boulons de grandes dimensions posent
dautres problmes
Quand le couple de serrage dpasse1 000 Nm, il est ncessaire davoir recors des cls chocs, des multiplicateurs decouple mcaniques ou des cls hydrauliques( figs. 7et 8).
Ces moyens de serrage permettentdexercer le couple de serrage requis. Mais lepremier, en particulier, altre notablementla prcision. Sel le troisime pet apporter
une certaine amlioration de la prcision.Cela, condition de procder avec prcautionet dtiliser n otil de qalit. De pls,
quand il nest pas possible de disposer dune
surlongueur du boulon au-dessus de lcrouou bien quand le rapport longueur boulonsur diamtre est trs rduit ( 1,5), une clhydraulique de qualit prsente un certainintrt.
Dtrioration des tats de surfaceLe serrage au couple entrane une dtrioration dessurfaces des lments de lassemblage.Les montages et dmontages successifs accentuentce phnomne.
Fig. 6
Les mthodes traditionnelles de serrage
Le serrage au couple soumet le boulon unecontrainte de torsion parasite
Contrainte quivalente seq=PJJJs2+ 3t2Contrainte de traction s=
F0AS
Contrainte de torsion t=16 Tthpd3eq
avec : deq=d2+ d3
2 AS=
pd2eq4
Tth= couple rsistant au niveau des filetsF0= tension de serrage dans le boulon
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Fig. 7 Les dispositifs de contrle du serrage au
couple
Il est toujours possible de rduire ladispersion sur leffort de tension deserrage. Le niveau de prcision dpendrade la mthode de contrle utilise et desprcautions de mise en uvre.
Mais, quel que soit le moyen de contrleutilis, il faut garder en mmoire quavec leserrage au couple la contrainte quivalenterestera toujours leve cause de lacontrainte de torsion parasite .
Le contrle du couple
Cest le contrle le plus simple. Mais nousavons vu que, mme quand la prcisionde mesure du couple est bonne, il demeureune grande incertitude sur la tension finalede serrage du boulon.
Le serrage langle
Cette mthode comprend deux temps :on applique dabord lcrou du boulonun couple lgrement infrieur au couplenominal thorique et on lui impose ensuiteun angle de rotation prcis.
La dispersion sur leffort de tension estainsi un peu diminue, mais lincertitudereste importante et on risque mmedaugmenter sensiblement la contraintede torsion parasite .
Le contrle dlongationLamlioration au niveau de la prcision estplus sensible si on procde des contrles dellongation du goujon.
Plusieurs techniques peuvent ainsi treutilises :
Mthode de la pige molette
Une pige visse dans le milieu du goujon estpourvue dans sa partie suprieure dunemolette de contrle d serrage. Ds qe
llongation du boulon correspondant au jeuinitial entre la tte de pige et la molette est
atteinte, la molette est bloque en rotation etdonne loprateur lindication que le serrageest ralis.
Cette mthode prsente quelquesinconvnients :
il y a n srcot case des pices
complmentaires et du perage du boulonen son milieu
le bolon est affaibli
n talonnage pralable est ncessaire
Le serrage simultan est rarement
possible
Avec la mthode d serrage a cople,
il nest en gnral pas possible de procderau serrage simultan de plusieurs, et encoremoins de la totalit, des boulons dunassemblage.
Quand on utilise des cls hydrauliques,on peut thoriquement procder au serragede plusieurs boulons en mme temps, mais
le nombre reste limit pour des raisonsdencombrement et de complexit de mise enuvre.
Les problmes dimprcision dj voqusne sont pas pour autant limins.
Multiplicateur de couple
Cl hydraulique
Fig. 8
la prcision reste alatoire, en particlier
cause de la trs grande sensibilit auxtolrances de ralisation.
Mesure par comparateur ou capteur
dlongation inductif LVDT
Le boulon est perc en son milieu sur toute
sa longueur pour recevoir une pige demesure. Cest la variation de distance entre lesommet de la pige et celui du boulon qui estmesure.
Cette mthode est plus prcise que laprcdente, mais elle prsente le mme typedinconvnients :
il y a n srcot case des pices
complmentaires et du perage du boulonen son milieu
le bolon est affaibli
n talonnage pralable est ncessaire.
Mthode des ultrasons (US)
Elle consiste mesurer le temps de trajetaller/retour dune onde ultrasonore le long delaxe longitudinal du boulon.
Le boulon nest pas perc mais il doit trede grande qualit et un talonnage pralabletrs prcis est ncessaire.
La mise en uvre ncessite un personnelqualifi.
Des progrs constants rendent cette
mthode de plus en plus intressante,
en particulier pour la visserie de petitedimension (diamtre infrieur 20 mm).
Mthode des jauges de contrainte
Les jauges de contrainte sont gnralementcolles sur le corps du boulon et connectes un pont de Weston . La variation du signalmesur correspond la variation dlongation
du boulon pralablement talonn.Il sagit l dune mthode de laboratoire
quil est exclu dutiliser dans le cas dunserrage industriel.
En conclusion, on peut dire que les dispositifsde contrle comments ci-dessus sontdautant plus coteux quils donnent unemeilleure prcision, et leur mise en uvrepeut tre longue et ncessiter du personnelspcialis.
De pls, cest en gnral la variation
dlongation du goujon qui est mesureet non pas directement leffort de serrage delassemblage.
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La rondelle de mesure
Elle prsente un avantage diffrentiel majeurpar rapport aux autres dispositifs de contrlepuisquelle mesure directement leffort deserrage.
La rondelle de mesure ( fig. 9) estune rondelle instrumente qui se place
sous lcrou de serrage. Il est vivementrecommand dinterposer entre celle-ciet lcrou une rondelle classique pourviter sa dtrioration par les frottementsimportants au serrage et au desserage.Elle agit comme un capteur de force.
La prcision est bonne et la mise en uvreest aise.
Pour le serrage au couple, tant donnque les forces de frottement varient dans desproportions importantes, si on recherche unebonne prcision dans le serrage final, il estindispensable de munir chaque boulon delassemblage de cette rondelle de mesure.
De pls, cette mthode permet facilement
de mesurer et denregistrer, priodiquementou en permanence, leffort de tension dans leboulon, que lassemblage soit au repos ou enservice.
Comment passer du serrage aucouple au serrage par tendeurhydraulique
La pratique du serrage au tendeurhydraulique ncessite la connaissance deleffort rsiduel (F0) ncessaire dans le
boulon. Or, lors dun serrage au couple, seulle couple est prconis, il est gnralementdonn en newton-mtre (Nm). La formle
thorique suivante permet de connatre, enpremire approximation, la force de tensionrsiduelle (F0) dans le boulon lorsquuncouple de serrage est appliqu. Cette formuleest tablie en considrant les frottements desfilets et ceux de la face dappui de lcrou.
TF0= 0,16 p + 10,582 d2+ 2rm
o:F0= effort rsiduel (prcharge)T = couple de serragep = pas du filetagem1= coefficient de frottement des filets
boulon/croum2= coefficient de frottement face crou/face
dappuid2= diamtre moyen du boulonrm= rayon moyen de la face dappui de
lcrou.
Le Chapitre E Comparaison entre unserrage au couple et un serrage au tendeurhydraulique donne une illustration pratiquede lapplication de cette formule.
Rondelle de mesure
Fig. 9
Le serrage parlongation thermiqueCette mthode consiste chauffer le boulon laide dune canne chauffante et provoquerainsi son allongement par dilatation
thermique. Il suffit ensuite daccoster lcroude serrage sans effort de couple particulier.
Bien que cette mthode autorisethoriquement le serrage simultan,elle prsente elle aussi de nombreuxinconvnients :
dabord, les bolons doivent tre percs
au centre sur toute la longueur pourpermettre la mise en place de la cannechauffante.
Ensite, la mise en vre ncessite
des moyens de chauffage, de contrlede temprature et de manipulation quipeuvent tre importants, surtout pour leserrage simultan.
Enfin, lopration est longe pisqe ce
nest quaprs refroidissement que lon peutconnatre la valeur de la tension rsiduelledans le boulon ( condition davoir prvu lesmoyens pour la mesurer).
Le cycle consiste donc : chauffer, accosterlcrou, attendre le refroidissementuniforme de lassemblage et mesurer. Il est
systmatiquement ncessaire dajuster leniveau de serrage en reproduisant ce cycleplusieurs fois.
Bien souvent la temprature atteindrepour obtenir llongation voulue esttrop leve et risquerait dentraner unemodification des caractristiques mcaniquesde la matire. Par consquent, llongationthermique ntant pas suffisante, il faut luisuperposer un serrage au couple, contrlpar mesure de langle impos lcrou.
Le serrage par longation thermiqueest en fait assez peu utilis. Les quelques
applications connues concernent les boulonsde grande dimension (diamtre suprieur 100 mm).
Les mthodes traditionnelles de serrage
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Le serrage par tractionmcaniqueCest une mthode qui permet dexercerdirectement sur le boulon un effort detension ( fig. 10).
En gnral, le corps de l crou est munidune srie de vis de pousse implanteautour du filetage intrieur. Ces vis quisappuient soit directement sur la face delorgane serrer, soit sur une rondelle
intermdiaire sont visses au fur et mesurepar de nombreuses passes avec un couple devissage rduit. Elles assurent ainsi la mise entension du boulon.
La mesure de la tension est le plus souventralise par un des moyens de contrledlongation dj cits.
Bien que cette mthode prsentelavantage dliminer la contrainte de torsiondans le boulon, elle a aussi de nombreuxinconvnients :
le serrage simltan nest pas
raisonnablement possible, seul un serrageprogressif et laborieux dun boulon lautre
est envisageable. Il sagit dun serragepseudo-simultan.
Il est indispensable de prvoir n moyen de
mesure complmentaire tel que la mesuredlongation ou la mise en place dunerondelle de mesure deffort.
Ensite, le prix des cros est pls lev
puisquils sont en gnral de dimensionsimportantes et doivent tre munis de
lensemble des vis de pression. Enfin, lopration est longe tant donnque le serrage de chaque vis est en gnraeffectu la main en plusieurs passes.
Le serrage par traction mcanique est doncassez peu utilis.
Comment passer du serragepar longation thermiqueau serrage par tendeurhydrauliqueLa pratique du serrage au tendeurhydraulique ncessite, nous lavons vu, la
connaissance de leffort rsiduel ncessairedans le boulon. Or les donnes techniquesconnues pour raliser le serrage par cannechauffante sont gnralement : llvationde temprature (Dt) et langle de rotation qeffectuer sur lcrou lorsque la tempratureest atteinte. Llongation thermique dpenddu coefficient de dilatation (a) du matriau,et llongation provenant du serrage aucouple est une fonction directe de la rotationde lcrou et du pas. La formule thoriquesuivante permet de connatre, en premireapproximation, la force de tension rsiduelle(F0) dans le boulon lorsque cette techniqueest employe.
qpSEF0= a SEt + l
o:q = angle de rotation de lcrouDt = lvation de tempraturea = coefficient de dilatation thermique
du matriau du boulon
p = pas de filetageS = section d bolonl = longueur serre du boulonE = module dlasticit (module dYoung)
du matriau du boulon.
Le serrage par traction mcanique
Fig. 10
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Le serrage par traction hydraulique
PrsentationCest la mthode de serrage mise en uvre laide des tenders hydraliqes SKF
HYDROCAM ( fig. 11).Le boulon serrer, qui doit tre pourvu
dune surlongueur au niveau de lcrou, estmis sous tension froid laide dun vrinhydraulique annulaire qui exerce sur celui-ciuniquement un effort de traction. Lcrou deserrage libr de toute contrainte est accostpratiquement sans effort de serrage et, enconsquence, il ne transmet aucun couple auboulon.
Lorsque la pression dans le vrin estrelche, leffort hydraulique du vrin est engrande partie transfr sur lcrou accost ;le serrage est effectu ( fig. 12).
Afin dagmenter la prcision d serrage,
il est recommand de procder un doubleaccostage.
En effet, la premire opration daccostage
permet de compenser les jeux, les aspritset dtablir un quilibre des efforts au seinde lassemblage. La deuxime oprationdaccostage permet essentiellement dobtenirla prcision souhaite sur la force rsiduellede tension du boulon.
Ce double accostage consiste simplement rpter les phases 3, 4 et 5 schmatises( fig. 12).
Cest cette mthode, utilise dans les rglesde lart, qui permet le mieux datteindre lescritres de qualit dun bon serrage listsdans lintroduction.
Tendeur hydraulique SKF HYDROCAM
Fig. 11
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4 5 6
Comment fonctionne un tendeur hydraulique HYDROCAM1 La cl daccostage est place autour de lcrou, et le tendeur hydraulique vient coiffer le boulon.2 Le tirant est viss sur lextrmit dpassante du boulon.3 Aprs raccordement hydraulique, le tendeur hydraulique, grce la mise en pression, dveloppe sur le boulon leffort de traction requis.4 Pendant que la pression est maintenue, lcrou est accost sans effort laide de la cl et de la broche.5 Puis la pression est relche et le piston est repouss. Leffort de serrage est alors exerc par la tension du boulon.6 Le tendeur et la cl peuvent tre retirs.
Fig. 12
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A B x
N
FH
A B x
N
F0
Les avantages duserrage par tractionhydrauliquePas de contrainte de torsion
Le serrage par traction hydrauliquenintroduit aucune contrainte de torsion oude flexion parasite dans la boulonnerie( fig. 13).
Grande prcisionIl est prcis puisque le paramtre le plusimportant qui est la force de traction estrigoureusement contrl par l intermdiairede la pression hydraulique dalimentationdu vrin. La force nest pas tributaire desdiffrents coefficients de frottement aunivea de lassemblage. Sel le cople mis en
uvre pour laccostage peut introduire uneincertitude mais, dune part, son influenceest du second ordre par le principe mmeet, dautre part, grce des prcautionslmentaires lies aux rgles de lart, il estpossible dobtenir une certaine homognitdans lopration daccostage.
Enfin, il faut tenir compte du rapportFh/F0(effort hydraulique/effort rsiduel aprsrelchement de la pression) qui sera explicitpar la suite ( page 21). La connaissance
de ce rapport est importante, des moyensexistent pour lobtenir avec prcision pourchaque assemblage.
Mise en uvre facileSa mise en vre est aise et rapide et
aucun effort musculaire nest ncessairemme pour les boulons de trs grosdiamtre. Les risques lis lopration et lapnibilit du travail sont aussi trs fortementrduits.
Large gamme de diamtresIl sapplique une trs large gamme dediamtres de vis ou de goujons : de 5 500 mm !
Diversit des matriauxDes bolons en INOX, titane, matriax
composites peuvent tre trs facilementserrs au tendeur hydraulique.
Fig. 13
Aucune dtrioration des picesAvec le serrage par tendeur hydraulique, lintgritde tous les lments de lassemblage est prserve.Cette intgrit est maintenue, quel que soit lenombre de montages et dmontages.
Fig. 14
Le serrage par traction hydraulique
Pendant le serrageFH= effort hydraulique de tension sH= contrainte de traction due leffort hydraulique FH
Aprs le serrageF0= tension finale de serrage dans le boulon s0= contrainte de traction finale aprs accostage et relchement de la pression
Aucune dtrioration despicesIl prserve lintgrit de tous les lmentsde lassemblage, puisque les contraintesinternes sont matrises et quil ny a pas
de frottement de surface sous forte pressionde contact ( fig. 14).
Opration de desserrage aiseLe desserrage est extrmement facile effectuer, leffort hydraulique ncessaireest en gnral peine plus de 1% suprieur leffort hydraulique initial de serrage.
Serrage simultan possibleLa mthode de serrage par tendeurHYDROCAM permet n serrage simltan
de plusieurs ou de la totalit des boulonsde lassemblage.
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Cela apporte :
ne homognit de serrage de lensemble
des boulons de lassemblage ne mise en vre simple
ne dre dintervention rdite (voir
chapitre F Le serrage simultan par
traction hydraulique ).
Automatisation possibleLes oprations de serrage et de desserragepeuvent tre totalement automatises pourpermettre :
ne optimisation de la simltanit des
oprations ne pls grande prcision de serrage
ne pls grande homognit d serrage
ne dre dopration encore pls rdite
n allgement des conditions de travail
des oprateurs dans le cas daccessibilitdifficile
n pilotage distance :le personnel peut piloter toutes lessquences de serrage ou de desserragedepuis une zone scurise. Pour la plusgrande partie des oprations, le personnelest ainsi loign des risques lis lenvironnement tels que rayonnementsionisants, fortes pressions, fortestempratures, bruit important, risques de
rupture de pices avoisinantes
Mesure du dplacement de la tte du boulon laide dun comparateur
Mesure de llongation du boulon laidedun capteur inductif LVDT
Mesure de llongation du boulon laidedun capteur ultrasons
Les dispositifs decontrle du serrage partraction hydrauliqueLe serrage hydraulique se prte lutilisationde diffrentes mthodes de contrle, selon le
niveau de prcision requis par lassemblage.
Contrle de la pressionhydrauliqueUn contrle prcis de la pression miseen uvre pour assurer leffort de tensionpermet, condition davoir dterminle rapport Fh/F0, dobtenir un niveau deprcision du serrage final de lordre de 8 10% bien souvent acceptable.
Mthode de la remonteen pression Aprs avoir ralis n premier serrage par
monte en pression, accostage de lcrouet relchement de la pression, on procde une nouvelle mise en pression du vrin
de traction tout en relevant lvolution dela pression en fonction du dplacement dusommet d bolon. Grce a changement
de pente de la courbe, il est ainsi possiblede trouver la valeur du serrage rsiduel( fig. 15).
Cette mthode permet damliorer laconnaissance de leffort rsiduel.
Le niveau de prcision du serrage finalpeut tre de lordre de 5 8%.
Mesure dlongationCette mesure peut tre ralise laide dunedes mthodes dj dcrites : comparateur,capter dlongation indctif LVDT
( fig. 16) ou ultrasons ( fig. 17).Dans le cas de ltilisation de capters
prcis et avec une goujonnerie de prcisionet convenablement talonne, le niveau deprcision peut tre trs bon : de 1 5%.
Bien entendu, le cot est dautant pluslev que la prcision, vise est grande.
Fig. 15 Fig. 17Fig. 16
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16
F
F
Fa
Fa
104 25 000 55 000 105 400 000 106
Fa (103daN)
3,1
3,0
2,9
2,8
2,7
2,62,5
2,4
2,3
2,2
2,1
2,0
La rondelle de mesureLa mthode, dj dcrite prcdemmentpour le cas du serrage au couple, sadapteparfaitement lutilisation du tendeur etpermet un contrle direct trs prcis deleffort de tension rsiduel du boulon.
Cette rondelle est particulirement utile
quand on veut faire du contrle priodique oucontinu.
Contrairement au serrage au couple,mme quand une grande prcision deserrage est requise, compte tenu de lareproductibilit du serrage par tractionhydraulique, il nest pas ncessaire dquipertous les boulons dun mme montage de
rondelle de mesure. Une sur 2, sur 3, sur 4,sur 8 selon le montage et les exigences,peut suffire.
La prcision sur leffort rsiduel est engnral de lordre de 5%.
Elle peut tre rduite 2%, pour despices de grande qualit et des assemblages
de prcision.De pls, il est intile dinterposer entre la
rondelle de mesure et lcrou une rondelle classique puisquil ny a pas de frottementde surface.
La mthode de serrage par tractionhydraulique permet donc de situer avecprcision le niveau de la contrainte de
Influence du taux de serrage dun boulon sur sa tenue en dynamique
Diagramme 3
Le serrage par traction hydraulique
serrage par rapport la limite lastiquedu matriau.
Et si le boulon est assez long, on peut ainsisapprocher de cette limite en toute scuritsans risquer de la dpasser.
Cela est trs important pour la qualit de
lassemblage puisque, contrairement auxides reues, les tudes montrent que plus lacontrainte de serrage dun boulon est prochede la limite lastique :
meillere est la tene de lassemblage
pls grande est la dre de vie d bolon
sous efforts cycliques ( diagramme 3).
La matrise des contraintes dans le boulonpermet ds la conception doptimiser le choixdes matriaux et le dimensionnement.
Par rapport aux mthodes traditionnellesutilisant un couple de serrage, avec letendeur hydraulique il est possible de rduireles dimensions de lassemblageet/ou le nombre des vis ou goujons.
Il en dcoule trois avantages majeurs :
ne rdction des encombrements
ne rdction d poids
ne rdction des cots.
(Sorce : docment CETIM Assemblages visss conception et montage . Reprodit avec latorisation d CETIM.)
Fmaxi
Fmini
Fm
0Temps1 cycle
Nombre de cycles, Nprcharge gale 0,6 limite lastique (Re)
0,7 Re0,8 Re
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17
200d0
F
a
d0
F
a
a
0
dB
D1
F0A
Analyse techniqe d serrage
Quand nous effectuons un serrage avec toutemthode, par exemple sur lassemblagede la fig. 18, nous ralisons en fait unetraction dans le boulon relativement trslastique et une compression des pices destructure relativement trs rigides .
On voit ainsi ( diagramme 4) que lapente de la droite D1correspondant auboulon est faible et ( diagramme 5) quela pente de la droite D
2correspondant la
structure est forte.Les droites D1et D2peuvent tre traces
sur un mme graphique ( diagramme 6)
Courbe dallongement du boulonExemple dassemblage boulonn
Fig. 18 Diagramme 4
Langle adpend de la nature dumatriau du boulon et du rapport L/d(diagramme 14)
F0= prcharge de serragedB= allongement du boulon sous F0
sur lequel la prcharge de serrage F0correspond lintersection des deux droites.
Leffort de tension dans le boulon est biensr gal en valeur absolue et oppos en signe leffort de compression sur la structure( fig. 19).
Lallongement du boulon, ou tensiondu boulon, est dBet la compression de lastructure est dS.
Leffort extrieur FEsur lassemblage peuttre un effort de traction ou de compression.
Ds qe lon appliqe n effort extrier
FEde traction sur lassemblage, on vientaugmenter la tension du boulon non pasde FEmais seulement de F1puisque la forcede compression de la structure diminue deF2, on a ( fig. 20) :
FE= F1+ F2
On voit sur les graphiques que ce nest pasla totalit de leffort extrieur qui sexercesur le boulon, mais une partie, seulement( diagrammes 7et 8).
Fonctionde la raideurdu boulon
Effort, F (traction sur boulon)
Boulon trs lastique
Dformation, d
Boulon trs raideBoulonM20 2,5
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18
F0
F0
F0F1
F2
FE
F0
+ F1
F0+ F1
F0+ F1
F0- F2
F0
FE
FE
D2
F0A
b
0dS
dB
D1
F0 A
D2
dS0
a b
Courbe de compression de la structure
Diagramme 5 Diagramme 6
Fig. 19
Assemblage serr la prcharge F0
Graphique de serrage dun assemblage boulonn
Assemblage serr la prcharge F0et subissant un effort de traction extrieur FE
Fig. 20
F1= augmentation de la tension du boulonF2= diminution de la force de compression
sur la structureFE= F1+ F2= effort extrieur de traction
appliqu sur lassemblageF0+ F1= effort de traction sur le boulonF0 F2 = effort de compression entre les
pices assembles
F0= prcharge de serragedS= compression de la structure sous F0
F0= prcharge de serrage
dB= tension du boulondS= compression de la structure
Analyse technique du serrage
Dformation, d
Effort, F
Dformation, d
Effort, F (compression sur la structure)
Fonctionde la raideurde la structure
Boulon StructureBoulon Structure
Prcharge
(Tension
)
Prcharge
(Compression
)
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19
F1
F2
FE
F3
dB
D1
F0A
C
B
D2
dS0
a b
F0+ F1
F0- F2
F1F0
0
F0+ F1
D1
F0 A
C
B
D2
0
a b
F0+ F2
F0- F1
dB dS
F1
F2FE
Lapplication dun effort extrieur decompression FEsur lassemblage provoqueune rduction de la tension du boulonet une augmentation de la dformationen compression de la structure; dans cecas, le diagramme 7est remplac par lediagramme 9.
La valeur de leffort F1peut tre calculeen fonction de la raider d bolon RBet dela raider de la strctre RS, on a ainsi :
F1= FERB7(RB+ RS)
Si leffort de serrage est insffisant par
rapport leffort extrieur, il y a perte deserrage entre les pices ( diagrammes 10et 11).
Datre part, en cas dn effort extrier
cyclique, on remarque sur les diagrammes12et 13que leffort altern rellementsupport par le boulon est trs rduit, oron sait quen matire de fatigue la valeurde la composante alterne de leffort subipar une pice a une trs grande importance( diagramme 3).
Graphique montrant linfluence dun effort extrieur de compression FEsurun assemblage boulonn avec une prcharge de F0
Graphique montrant linfluence dun effort extrieur de traction FEsur un assemblage boulonn avecune prcharge de F0
Diagramme 7
Diagramme 8
Relation entre leffort total exerc sur le boulon et leffort extrieur appliqu lassemblage
Diagramme 9
F0= prcharge de serrageFE= effort extrieur de traction appliqu lassemblage
F0+ F1= effort de traction sur le boulonF0 F2 = effort de compression entre les pices assembles
F0= prcharge de serrageFE= effort extrieur de compression appliqu lassemblageF0 F1 = effort de traction sur le boulonF0+ F2= effort de compression sur la structure
F0= prcharge de serrageF0+ F1= effort de traction sur le boulonFE= effort extrieur de traction appliqu lassemblageFE maxi= effort extrieur maximal admissible avant
dcollement des pices assemblesDFE= part de leffort extrieur sexerant sur le boulonRS= raideur de la structureRB= raideur du boulon
Dformation, d
Effort, FEffort sur le boulon, F
Fext
Contact entre pices Jeu entre pices,perte de serrage
FE maxi
FE maxi
Dformation, d
Effort, F
FE=
RBRB+ RS
FE= F1
FE
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20
dB
D1
F0A
D2
h0
a b
FE
F1
F2
FE
FE
F0
0
h
dB
D1
F0A
C
B
D2
dS0
a b
F0+ F1F1
F2
FE
F3
F1
F0
0
F0+ F1
Effort de serrage insuffisant par rapport leffort extrieurIl y a perte de serrage entre les pices.
Diagramme 10 Diagramme 11
Diagramme de leffort sur le boulon dans le cas dun effort extrieur cyclique
Cas de leffort cycliqueRelation entre leffort total exerc sur le boulon et leffort de traction extrieurappliqu lassemblage.
Analyse technique du serrage
F0= prcharge de serrageFE= effort de traction sur le boulonh = jeu entre pices, perte de serrage
F0= prcharge de serrage
FE= effort de traction sur le boulonh = jeu entre pices, perte de serrage
F0= prcharge de serrageF0+ F1= effort de traction sur le boulon
F0= prcharge de serrageF0+ F1= effort de traction sur le boulon
Diagramme 12 Diagramme 13
Dformation,d
Effort, F Effort sur le boulon, F
FE maxi FextFE
Dformation, d
Effort, F
Effort sur le boulon, F
FextFE
Contact entre pices
FE=
RBRB+ RS
FE= F1
Effort appliqu sur le boulon quand leffort extrieur de traction est tropimportant par rapport au serrage
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21
L/d
Fh/F0
1,8
1,7
1,6
1,5
1,4
1,3
1,2
1,1
1,01 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
d
L
volution du rapport Fh/F0en fonction du rapport L/dpour les aciers couramment utilissen boulonnerie
Diagramme 14
Rapport L/d, rapport F1/F0pour le serrage hydraulique
On peut ainsi remarquer que plus la raideurdu boulon est faible par rapport celle de lastructure plus la part deffort extrieur prisepar le boulon est faible.
Il y a donc toujours intrt utiliserdes boulons dont le rapport longueur surdiamtre (L/d) est grand, puisque la raideurdans ce cas est plus faible.
Ce rapport (L/d) est dailleurs aussi leparamtre principal dont dpend le rapportentre leffort rsiduel final de serrage F0etleffort hydraulique Fh mettre en uvrepour lobtenir ( diagramme 14).
On voit que plus le rapport L/d est grandplus le rapport Fh/F0est rduit, l intrtdavoir un rapport L/d grand est donc double.
Dans le cas o le rapport L/d est trs
rduit (< 1,5), leffort hydraulique mettreen jeu pour obtenir le serrage final peut
F0= effort rsiduel de serrageFh= effort hydraulique
limite suprieure = filetage pas gros limite infrieure = filetage pas fins
atteindre une valeur trs leve par rapport la limite lastique du matriau. Lutilisationdune cl couple de trs bonne qualitpeut ventuellement constituer une solutionacceptable.
Cependant, dans ce cas, le choix entre lesdeux modes de serrage dpendra aussi des
autres paramtres lis lapplication et enparticulier la prcision et lhomognit deserrage requises, laccessibilit, la ncessitdoprer un serrage simultan,
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22
Notes
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d(M P)d2d2deqdeqd3d3
p
Comparaison entre un serrageau couple et un serrage au tendeur
hydraulique
La comparaison sera faite dans deux cas :serrage dun assemblage existant etconception dun nouvel assemblage,compte tenu du mode de serrage prvu.
Le serrage dunassemblage existantPrenons pour cette comparaison lexemple duserrage de deux brides de diamtre extrieur600 mm, assembles par 16 boulonsM20 2,5 rpartis sur un diamtre de500 mm ( fig. 18).
Pour chaque boulon, la longueur serre estdenviron 200 mm, soit un rapport longueursur diamtre L/d = 10, trs courant en
mcanique.Le filetage de pas 2,5 des boulons estconforme a standard ISO et le matria est
de classe 10-9.
Dimensions du filetage M20 2,5 ISO
Lavantage du choix dune telle dimensionde boulon pour la comparaison est que leserrage au couple par une cl dynamomtriquemanuelle peut tre mis en uvre sans tropde difficlt (cople < 700 Nm).
Bien entendu, le serrage au tendeurhydraulique est ralis encore plusfacilement.
La fig. 21donne les dimensions du filetageM20 2,5 ISO :
d = 20 mmd2 = 18,376 mmd3 = 16,933 mmdeg= 17,655 mmAS = 244,5 mm2.
Pour les calculs, la vis est assimile unetige pleine de diamtre quivalent deget desection AS.
On sait galement que le matriaudun boulon de classe 10-9 prsente lescaractristiques principales suivantes :
rsistance la traction :Rm 1 000 MPa
limite dlasticit 0,2% :Re (0,2%) 900 MPa.
On se fixe pour impratif de ne pas avoir decontrainte dans le boulon qui soit suprieure 90% de la limite lastique 0,2% dumatriau soit :
smaxi= 0,9 Re= 810 MPa
Leffort maximal admissible sur notre boulon
sera ainsi :
Fmaxi= 0,9 ReAS
soit : Fmaxi= 198 000 N
Fig. 21
d = diamtre extrieur de la visd2 = diamtre moyen = d 0,6495 pd3 = diamtre fond de filets = d1,2268 p
deq= diamtre quivalent =d2+ d3
2 =
= d 0,9382 p
p = pas
AS = section quivalente =pd2eq
4
Ecrou Vis
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D
U
AH1
YZ
D1
D2
X
H
HTA
Comparaison entre un serrage au couple et un serrage au tendeur hydraulique
Le polyvalentLes dimensions dencombrement de cetendeur, ainsi que leffort dvelopp,favorisent son utilisation dans denombreuses applications.
Exemple de dsignation :
Tender complet por n bolon M48 :HTA 90 M48 5
Tirant M48 5 d tender HTA 90 :HTA 90T M48 5
HTA .. T ..
HTA .. C
HTA .. J
en option
40 maxi
Cette page est extraite d cataloge SKF Tenders deboulons HYDROCAM Systmes de serrage indstriels
qui prsente la gamme complte des tendeursHYDROCAMet leurs applications industrielles.
Dsignation Dimensionsdes boulons
Diamtre Pas
Pressiomaxi.
mm mm MPa
HTA 20 M20 2,5 M20 2,5 150HTA 20 M22 2,5 M22 2,5 150HTA 20 M24 3 M24 3 150HTA 20 M27 3 M27 3 150
HTA 35 M27 3 M27 3 150HTA 35 M30 3,5 M30 3,5 150HTA 35 M33 3,5 M33 3,5 150HTA 35 M36 4 M36 4 150
HTA 50 M36 4 M36 4 150HTA 50 M39 4 M39 4 150HTA 50 M42 4,5 M42 4,5 150HTA 50 M45 4,5 M45 4,5 150
HTA 60 M42 4,5 M42 4,5 150HTA 60 M45 4,5 M45 4,5 150HTA 60 M48 5 M48 5 150HTA 60 M52 5 M52 5 150
HTA 90 M45 4,5 M45 4,5 150HTA 90 M48 5 M48 5 150HTA 90 M52 5 M52 5 150HTA 90 M56 5,5 M56 5,5 150HTA 90 M60 5,5 M60 5,5 150
HTA 130 M60 5,5 M60 5 150HTA 130 M64 6 M64 6 150HTA 130 M68 6 M68 6 150
HTA 130 M72 6 M72 6 150HTA 130 M76 6 M76 6 150
HTA 160 M72 6 M72 6 150HTA 160 M76 6 M76 6 150HTA 160 M80 6 M80 6 150
HTA 200 M80 6 M80 6 150HTA 200 M85 6 M85 6 150HTA 200 M90 6 M90 6 150HTA 200 M95 6 M95 6 150HTA 200 M100 6 M100 6 150
HTA 250 M100 6 M100 6 150HTA 250 M110 6 M110 6 150HTA 250 M120 6 M120 6 150HTA 250 M125 6 M125 6 150
HTA 310 M125 6 M125 6 150HTA 310 M130 6 M130 6 150HTA 310 M140 6 M140 6 150HTA 310 M150 6 M150 6 150
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Sectionhydraulique
Efforthydraulique
maxi.
Coursepiston
Dimensions
D H
H1
D1
D2
A
U
X
Y
Z
Massetendeur
complet
cm2 kN mm mm kg
20 300 8 86 100 30 74 56 26 38 138 56 44,5 320 300 8 86 100 30 74 56 26 42 142 57 44,5 320 300 8 86 100 30 74 56 26 46 146 59 44,5 320 300 8 86 100 30 74 56 26 52 152 62 44,5 3
35 525 8 109 116 40 97 73 31 52 168 73,5 56 4,835 525 8 109 116 40 97 73 31 57 173 76,5 56 4,835 525 8 109 116 40 97 73 31 63 179 79 56 4,835 525 8 109 116 40 97 73 31 69 185 81 56 4,8
50 750 8 128 128 49 116 90 38 69 197 91 65,5 7,550 750 8 128 128 49 116 90 38 74 202 94 65,5 7,5
50 750 8 128 128 49 116 90 38 80 208 97 65,5 7,550 750 8 128 128 49 116 90 38 86 214 100 65,5 7,5
60 900 8 137 140 54 133 102 40 80 220 91 69,5 960 900 8 137 140 54 133 102 40 86 226 92 69,5 960 900 8 137 140 54 133 102 40 92 232 94 69,5 960 900 8 137 140 54 133 102 40 99 239 96 69,5 9
90 1 350 8 166 154 65 154 114 42 86 240 119 84,5 15,390 1 350 8 166 154 65 154 114 42 92 246 122 84,5 15,390 1 350 8 166 154 65 154 114 42 99 253 124,5 84,5 15,390 1 350 8 166 154 65 154 114 42 107 261 127,5 84,5 15,390 1 350 8 166 154 65 154 114 42 114 268 130,5 84,5 25
130 1 950 8 198 179 82 187 137 50 114 293 147 101 25130 1 950 8 198 179 82 187 137 50 122 301 150 101 25130 1 950 8 198 179 82 187 137 50 130 309 153 101 25
130 1 950 8 198 179 82 187 137 50 137 316 155,5 101 25130 1 950 8 198 179 82 187 137 50 145 324 158,5 101 31
160 2 400 10 215 190 86 203 145 50 137 327 163,5 109 31160 2 400 10 215 190 86 203 145 50 145 335 166,5 109 31160 2 400 10 215 190 86 203 145 50 152 342 169,5 109 31
200 3 000 10 244 217 106 232 180 60 152 355 184,5 124 31200 3 000 10 244 217 106 232 180 60 162 365 187,5 124 39200 3 000 10 244 217 106 232 180 60 171 374 193 124 39200 3 000 10 244 217 106 232 180 60 181 384 196 124 39200 3 000 10 244 217 106 232 180 60 190 393 202 124 54
250 3 750 10 284 245 131 272 223 73 190 425 222 144 54250 3 750 10 284 245 131 272 223 73 209 444 227,5 144 54250 3 750 10 284 245 131 272 223 73 228 463 236 144 54250 3 750 10 284 245 131 272 223 73 238 473 242 144 54
310 4 650 10 325 273 156 313 260 86 238 506 262,5 164,5 75310 4 650 10 325 273 156 313 260 86 247 515 265 164,5 75310 4 650 10 325 273 156 313 260 86 266 534 274 164,5 75310 4 650 10 325 273 156 313 260 86 285 553 280 164,5 75
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Comparaison entre un serrage au couple et un serrage au tendeur hydraulique
Le serrage par tendeurhydrauliqueExaminons dabord le serrage par tendeurhydraulique.
A sein de la gamme standard des
tenders (voir le cataloge gnral SKF
HYDROCAM), nos choisissons le tender
HTA 20 qi est adapt a bolon concern( tableau 3).
Facteurs de dispersion dans le serrage
hydraulique
Analysons dabord les diffrents facters
de dispersion et leur niveau que lon peutrencontrer avec le tendeur hydraulique.
Dispersion lie aux dimensions et tolrances de
la boulonnerie et de lassemblage
Le diagramme 14permet de trouver quelsera leffort hydraulique mettre en uvre.
Nos voyons qe por n rapport
L/d = 10, le rapport Fh/F0entre lefforthydraulique ncessaire Fhet leffort rsiduelfinal de serrage F0se situe dune faongnrale entre les valeurs 1,10 et 1,20, soit :1,15 4,5%.
Mais, en fait, le graphique indique unevariation gnrale (pour L/d = 10 : 4,5%)prenant en compte les diffrents types demontages, de formes et de caractristiquesde pices, en particulier des filetages, quelon peut rencontrer le plus souvent en
mcanique.Nos savons par exprience qe sr nmme assemblage le rapport Fh/F0varierade moins de 2% pour un serrage unitaire,car seuls les tolrances dimensionnelles,les dfauts gomtriques et les carts dansles caractristiques des matriaux sur unemme pice ou sur un mme lot de picessont prendre en compte.
Nos retenons donc 1,15 comme valer
moyenne, 1,18 comme valeur maximaleet 1,12 comme valeur minimale.
Dispersion sur leffort hydraulique
La dispersion sur leffort hydrauliquedpend dune part du tendeur lui-mmeet dautre part de la prcision sur la pressionhydraulique.
Les tenders SKF HYDROCAM ont n
excellent rendement (98% 1%).
Donc la dispersion sr le tender choisinest que de 1%. La dispersion sur lapression est en gnral de 2%, elledpend de la justesse du moyen de mesure(manomtre ou capteur) et de la prcision delecture par loprateur.
Au total, la prcision sur leffort hydraulique
sera de 3%.Nos avons choisi de ne pas dpasser dans
tous les cas un effort maximal sur leboulon de Fmaxi= 198 000 N (por ne pasexcder une contrainte de smaxi= 810 MPa).
Nos limitons donc leffort hydraliqe
maximal la mme valeur :
Fh maxi= 198 000 N
Compte tenu de la dispersion hydraulique ,
leffort hydraulique minimal sera :
Fh mini= 198 000/1,06
soit : Fh mini= 186 800 N
Et ainsi, nous obtenons leffort hydraulique
moyen viser :
Fh m= (Fh maxi+ Fh mini)72 = 192 400 N
Le tender SKF HYDROCAM HTA 20 ayant
une surface sous pression de 20 cm2, lapression mettre en uvre sera, en tenantcompte du rendement (98%), de 98 MPa.
Dispersion sur laccostage de lcrou serrer
Laccostage de lcrou, sil est faitmanuellement, peut entraner une dispersionsur le serrage final de 3%.
Les diffrentes prcautions, simples, prendre pour limiter la dispersion surlaccostage, sont expliques dans le cataloguegnral SKF HYDROCAM.
Pour lexemple trait, nous prenons unedispersion de 3% sur laccostage.
Consquence des dispersions sur leffort
final de serrage
Nos povons maintenant voir la
consquence des dispersions sur leffortde serrage rsiduel final.
Leffort de serrage est maximal quandleffort hydraulique est maximal, laccostage
est en haut de la plage et le rapport Fh/F0estminimal.
Leffort maximal de serrage sera donc :
F0 maxi= 182 000 N (198 000 1,03/1,12)
Leffort de serrage est au minimum quandleffort hydraulique est minimal, laccostageest en bas de fourchette et le rapport Fh/F0est maximal.
Leffort minimal de serrage sera donc :
F0 mini
= 154 000 N (186 800 0,97/1,18)
La valeur moyenne de leffort de serrage sera( diagramme 15) :
F0 m= (F0 maxi+ F0 mini)72 = 168 000 N
F0= 168 000 N 8,5%
Nos voyons qe nos sommes bien dans la
plage de tolrance prcdemment indiquepour une utilisation classique de tendeur,sans moyen de mesure complmentaire
particulier.Avec de lhabitde, il est parfaitementpossible de raliser beaucoup mieux sur unmme assemblage : 6% et mme moins.
Effort extrieur maximal sur lassemblage
Maintenant que notre assemblage a tconvenablement serr avec le tendeurhydraulique, voyons quel effort de tractionextrieur maximal il peut supporter sans queleffort total sur un boulon dpasse la valeurlimite que lon sest fixe :
Fmaxi= 198 000 N
Pour cela, il nous faut dabord connatre lesraideurs du boulon et de la structure.
Avec les dimensions dj dfinies, on pet
calculer la raideur du boulon :
RB= ASE/L = 244,5 210 000/200= 256 700 N/mm
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d
F (kN)s(MPa)
630
687
745
810
230
154
168
182
198
210
125
100
25
50
75
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
(0,90 Re)
Graphique du serrage avec tendeur hydraulique dun boulon M20 2,5 de longueur 200 mm
Diagramme 15
En ce qui concerne la raideur de la structure,nous savons que dans le domaine de lamcanique, elle est souvent gale 5 10 fois celle du boulon.
On prendra un coefficient 8, donc :
RS= 2 000 000 N/mm
On a vu prcdemment que, dans le cas duneffort extrieur FE, seulement une partie F1de celui-ci vient sappliquer sur le boulon :
F1= FERB7(RB+ RS)
On peut donc parfaitement calculer leffortextrieur maximal que chaque boulon denotre assemblage serr laide du tendeurhydraulique peut supporter sans dpasser lalimite de 810 MPa que nous avons fixe.
Ainsi, la force totale maximale qi sexerce
sur le boulon ne doit pas tre suprieure lavaleur dj indique :
Fmaxi= 198 000 N
La force totale maximale que supporte leboulon devra tre :
FT maxi= F0 maxi+ F1= F0 maxi+ FERB7(RB+ RS)
La valeur maximale autorise pour FEpeutdonc tre calcule ( diagramme 15) :
FE= (Ft maxi F0 maxi) (RB+ RS)7RBFE= 140 000 N
Soit n effort extrier total sr notre
assemblage dfini ( page 18) de :
16 140 000 = 2 240 000 N
Nos spposons ne rpartition niforme de
cet effort sur lensemble des boulons.Et nous avons la certitude que les boulons
travailleront tous presque de la mmefaon avec des taux de contrainte trs voisins.Il y a une grande homognit.
En revanche, il est bien vident que pourdes valeurs suprieures de leffort extrieuril y a risque de dpassement de la limitede scurit que nous avons choisie pourla boulonnerie.
Le serrage au coupleProcdons maintenant au serrage au couple.
Nos choisissons dtiliser ne cl
dynamomtrique manuelle calibre.
Facteurs de dispersion dans le serrage
au couple
Voyons l aussi quels sont les diffrentsfacteurs de disp ersion et leur niveau.
Dispersion dans le couple exerc par la cl
Une cl dynamomtrique calibre telle quecelle que nous avons choisie a en gnral unedispersion sur le couple de : 5%.
Il est cependant bon de rappeler quele plus souvent pour les quipements deserrage au couple couramment utiliss ladispersion est bien suprieure cette valeur.
Dispersion lie aux tolrances de la
boulonnerie et de l assemblage
Cette dispersion est surtout due auxtolrances dimensionnelles, aux dfautsgomtriques et aux variations dans lescaractristiques des matriaux.
tant donn quil ny a pas de facteurFh/F0, son influence est plus faible que pour letendeur hydraulique, on peut estimer quelleest de lordre de : 1%.
Dispersion sur les coefficients de frottement
Dex coefficients de frottement entrent en
jeu dans le serrage au couple :
mth= coefficient de frottement au niveau desfilets crou/goujon ou vis
mfl = coefficient de frottement de la facede lcrou sur la structure.
Ainsi, por les aciers et sr n mme lot de
pices, le premier se situe en gnral entre0,08 et 0,12 (0,10 20%) et le second peutvarier de 0,10 0,15 (0,125 20%).
Limite que lon sest fixe pour le matriau
F0 maxi
F0 m
F0 miniFext maxi140 kN
FH= 1985%kN+0
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d
F (kN)s(MPa)
666
795810
974
1033 230
150
136
168
182172
200
214
125
100
25
50
75
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
(0,90 Re)
Comparaison entre un serrage au couple et un serrage au tendeur hydraulique
Analyse des composantes du couple
de serrage
Le couple de serrage TTappliqu par lacl permettra de vaincre deux couplesrsistants :
le cople rsistant a nivea des filets Tth
(cest ce couple-l qui provoque la torsiondu boulon ( fig. 5)
le cople rsistant a nivea de la face de
contact de lcrou Tfl.
On a donc : TT= Tth+ Tfl
Les formules gnralement admises pour lavaleur de ces couples sont :
Tth= Tth + Tth" = F (p/2p) + F (m1rr)et Tfl= F (m2rm)
avec :p = pas du filetage (2,5 pour M20)
1/2p= 0,16mth= coefficient de frottement des filetsmfl = coefficient de frottement de la face crou
d2 = diamtre moyen des filets (18,376 pourM20)
rr = 0,583 d2= rayon moyen du filetrm = rayon moyen de contact face crou
(13 pour crou M20)F = effort de tension de serrage.
On peut donc crire :
Tth= Tth + Tth" = F (0,16 p) + F (mth0,583 d2)Tfl= F (mflrm)
En fait, seule la partie Tth du couple TTsert llongation du goujon, les autrescouples sont en quelque sorte des couples parasites .
Nos cherchons obtenir la mme valer
de leffort moyen que pour le serrage avec letendeur hydraulique :
F0 m= 168 000 N
Couple de serrage
Calculons le couple moyen ncessaire pourobtenir cet effort moyen.
Le couple moyen rsistant au niveau desfilets est :
Tth m= 168 000 (0,16 2,5)+ 168 000 (0,10 0,583 18,376)
Tth m= 67 200 + 180 000 = 247 200 Nmm
Le couple moyen rsistant au niveau de laface de lcrou est :
Tfl m= 168 000 (0,125 13)Tfl m= 273 000 Nmm
Le couple moyen appliquer sera donc :
TT m= Tth m+ Tfl m= 520 200 Nmm520,2 Nm52,02 daNm
dont selement 67 200 Nm (soit 13%)
servent rellement au serrage !Compte tenu du niveau de prcision dj
cit de notre outil de serrage, le couplerellement appliqu se situera de faonalatoire entre les deux valeurs suivantes :
TT mini = 520 200 0,95 = 494 190 NmmTT maxi = 520 200 1,05 = 546 210 Nmm
Consquence des dispersions sur leffort
de serrage
Les efforts de tension minimaux et maximaux
correspondants sur le boulon seront :
Fmini = TT mini7(0,16 2,5 + mth maxi0,583 d2+ mfl maxi13)
Fmini = 494 1907(0,16 2,5 + 0,12 0,58318,376 + 0,15 13)
Fmini = 135 930 N
Fmaxi = TT maxi7(0,16 2,5 + mth mini0,583 d2+ mfl mini13)
Fmaxi = 546 2107(0,16 2,5 + 0,08 0,58318,376 + 0,10 13)
Fmaxi = 213 610 N
On peut dj voir que leffort moyen rel serasuprieur leffort moyen vis :
F0 mr= (135 930 + 213 610)72 = 174 770 Nsoit +4%
Si nos exprimons la tolrance par rapport
leffort vis, la tension de notre boulonpourra tre exprime de la faon suivante( diagramme 16) :
F0= 168 000 N (+27% 19%)
(o 174 770 N 22%)
Graphique du serrage au couple dun boulon M20 2,5 de longueur 200 mm
Diagramme 16
Limite que lon sest fixe pour le matriau
F0 maxi
F0 m(T0 m= 520 Nm)
F0 mini
Fext maxi140 kN
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Lanalyse des contraintes est dtaille par lasuite, mais on remarque dores et dj que,compte tenu de lexistence de la torsion, avecleffort de tension de 168 kN, on obtient ne
contrainte quivalente de 795 MPa et, ainsi,la limite fixe de 810 MPa nautorise quuneffort maximal de tension (y compris leffort
extrieur FE) de 172 kN.Nos voyons assi qe, mme en tilisant
un outil de serrage prcis, la plage detolrance sur la tension finale de serrage est,dans notre exemple, prs de trois fois plusimportante avec le serrage au couple quavecle serrage par tendeur hydraulique.
Incidences sur les contraintes dans
le boulon
Contraintes dans le cas maximal
Regardons maintenant ce qi se passe dans
le boulon dans le cas o les efforts sont aumaximum du fait de la valeur des diffrentsparamtres.
Les efforts engendrent dans le boulon lescontraintes suivantes :
la contrainte de traction :smaxi= Fmaxi/AS= 213 610/244,5smaxi= 873,6 MPa
la contrainte de torsion :tmaxi= 16 Tth maxi7(pdeq3 )on sait que :Tth maxi= 213 610 (0,16 2,5 + 0,08
0,583 18,376)Tth maxi= 268 520 Nmmdonc tmaxi= 248,5 MPa
la contrainte qivalente (critre de Von
Mises) atteindra :
seq maxi= smaxi2+ 3 tmaxi2
seq maxi= 974 MPa
On voit que, dans le cas o les efforts sontmaximaux, la contrainte de torsion qui atteint28% de la contrainte de traction entrane uneaugmentation de la contrainte quivalente deplus de 11%.
Ainsi, ds le serrage, la limite lastiqedu matriau sera probablement dpasse.
A fortiori, la limite de 810 MPa qe nos
avions fixe !
PJJJJJJ
Effort extrieur sur lassemblage dans le cas
maximal
Appliqons maintenant leffort extrier de
140 000 N lassemblage serr a cople
dans le cas o les efforts sont maximaux.Nos avons v qe la part de cet effort qi
sexerce sur le boulon est :
F1= FERB7(RB+ RS)F1= 15 900 N
Leffort de tension maximal sur le boulon estainsi augment, il devient gal :
Fmaxi= 213 610 + 15 900 = 229 510 N
la contrainte de traction devient :smaxi= 939 MPa
la contrainte de torsion nest pas modifie :
tmaxi
= 248,5 MPa la contrainte quivalente de Von Mises sera :
seqmaxi= 1 033 MPa
Bien videmment, lapplication de leffortextrieur aggrave encore les choses.
Ainsi, dans notre exemple, il y a de trs
gros risques quau moins une striction deboulon soit introduite lors du serrage aucouple et quune rupture se produise enservice !
Contraintes dans le cas minimal
Nos povons assi regarder ce qi se passedans lassemblage dans le cas o les effortssont au minimum du fait des alas dans lavaleur des diffrents paramtres.
Les efforts minimaux engendrent dans leboulon les contraintes suivantes :
la contrainte de traction :smini= Fmini/AS= 135 930/244,5smini= 556 MPa
la contrainte de torsion :tmini= 16 Tth mini7(pd3eq)
on sait que :
Tth mini= 135 930 (0,16 2,5 + 0,120,583 18,376)
Tth mini= 229 120 Nmm donc tmini= 212 MPa la contrainte qivalente (critre de Von
Mises) atteindra :
seq mini= smini2+ 3 tmini2
seq mini= 666 MPaPJJJJJJ
On voit que, pour la configuration en effortsminimaux, la contrainte de torsion atteint38% de la contrainte de traction et elleentrane une augmentation de la contraintequivalente de prs de 20% !
Fort heureusement, on est, dans ce cas,encore relativement loin de la limite lastique
du matriau.On peut cependant remarquer que cette
contrainte dite minimale obtenue avec lamthode au couple est en fait trs prochede la contrainte thorique de traction pure laquelle on sattend dans le cas du serragemoyen (666 MPa contre 687 MPa).
Cela confirme que, dans le serrage aucouple, il convient dtre trs prudent et debien prendre en compte la torsion induite parla mthode.
Effort extrieur sur lassemblage dans le cas
minimal
Appliqons maintenant leffort extrier
de 140 000 N notre prsent assemblage
serr au couple dans les conditions (fortuites)minimales. On devine que les consquencessur le plan des contraintes ne conduisent pas une situation trop dlicate.
Nos savons qe la srcharge sr le
boulon est en fait :
F1= 15 900 N
Leffort de tension devient donc gal :
F = 135 930 + 15 900 = 151 830 N
la contrainte de traction atteint :s= 621 MPa
la contrainte de torsion nest pas modifie
t= 212 MPa la contrainte quivalente de Von Mises sera
seg= 721 MPa
Si on se rapproche de la limite lastiqe d
matriau, on ne latteint cependant pas.
En ralit, dans ce cas, le problme ne sesitue pas au niveau des contraintes, maisplutt au niveau du serrage lui-mme.
En effet, dans notre exemple, leffortextrieur appliqu notre assemblage est :
FE= 140 000 N
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Comparaison entre un serrage au couple et un serrage au tendeur hydraulique
Or, pour le serrage minimal , loprationde serrage au couple nengendre quun effortde serrage de 135 930 N, alors qe leffort
extrieur provoquant le dcollement delassemblage est :
FE= F0RS7(RB+ RS)
soit : 153 345 N !
Donc, en cas de trs lgre srcharge
extrieure (+10%), il y a bel et bien risquede dcollement des pices assembles avecpossibilit de desserrage et, si lapplicationconcerne une tanchit, fuite au niveau dela jonction boulonne.
De pls, nos savons qe, por des efforts
cycliques les risques de rupture par fatigueaugmentent quand le serrage nest pasoptimum.
Les risques du serrage au couple
On voit quavec le serrage au couple, sur unemme application, on peut tout aussi bienavoir :
ne contrainte excessive avec risqe de
rupture des boulons par surcontrainte qn serrage insffisant avec risqe de
desserrage, ventuellement de fuite etmme parfois de rupture par fatigue.
Pour viter ces risques, la tendance est biensouvent de surdimensionner les boulons.On est ainsi persuad que lon peut
appliquer des efforts de serrage importants.Mais en procdant de la sorte, dune part
on dgrade plutt les choses au niveaursistance la fatigue, dautre part onalourdit lassemblage, ce qui peut augmenterde faon importante non seulement le cotde construction (boulons plus gros ou plusrsistants ou en plus grand nombre, bridesde plus grand diamtre), mais aussi parfoisle cot de lexploitation qui devra prendre
en compte des pices plus lourdes et plusencombrantes.
Bilan de la comparaisonLa comparaison technique entre le serrageau tendeur hydraulique et le serrage aucouple est ici faite en analysant le serragedun boulon isol.
Et on voit dj lintrt du serrage partendeur.
Mais on a galement vu dans laprsentation gnrale des diffrentesmthodes que le serrage par tendeur estencore beaucoup plus avantageux quandil sagit de serrer plusieurs boulons, cest lasituation que lon rencontre dailleurs le plussouvent.
Ainsi, dans ce cas, la facilit de mise en
uvre, la scurit, la fiabilit, la rptitivit, lapossibilit de raliser des serrages simultans
sont autant davantages qui viennentcomplter celui dune meilleure prcision.
Il convient ici de rappeler que la prcisionpeut encore tre amliore par lutilisationdun moyen de mesure supplmentaire,en particulier : la rondelle de mesure, dontlintrt a dj t dcrit.
La conception dunassemblage nouveauPrenons maintenant le cas o nous avons concevoir un nouvel assemblage.
Aprs tot ce qil a t v prcdemment,
on comprend que la conception sera trs
diffrente selon que lon prvoit un serrageau couple ou un serrage au tendeur.
Reprenons lexemple d serrage de dex
brides de diamtre extrieur 600 mm,assembles par 16 boulons M20 2,5rpartis sur un diamtre de 500 mm( fig. 18).
Le serrage par tendeurhydrauliqueEn ce qui concerne la prise en compte duserrage par tendeur hydraulique ds laconception, nous avons vu que lassemblagedj dcrit avait t justement optimis etque les boulons choisis sont bien ceux quiconviennent quand on prvoit dutiliser cettemthode de serrage.
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Le serrage au coupleVoyons donc, maintenant, commentcet assemblage devrait tre conu pourpermettre un serrage au couple avec lamme scurit que pour le serrage autendeur hydraulique.
Par rapport la conception optimale
dj dcrite et pour permettre la tenue despices, il y a en gnral le choix entre les troissolutions suivantes :
slection de bolons de classe spriere
agmentation d nombre de bolons
accroissement d diamtre des bolons.
Examinons chacune de ces trois solutions.
Slection de boulons de classe suprieure
Compte tenu de la contrainte maximales
eq maxi= 1 033 MPa, on comprend que la
classe des bolons devra tre 12-9. Soit :rsistance la traction Rm> 1 200 MPa etlimite dlasticit Re (0,2%)> 1 080 MPa.
Et pourtant, mme dans ce cas, nousnaurions pas le coefficient de scurit quenous avons avec le tendeur hydrauliquepuisque 90% de la limite lastique signifie unecontrainte maximale de 972 MPa.
Donc, dans cet exemple, le changement
de classe des boulons ne peut constituerune solution que si lon accepte de rduire lecoefficient de scurit.
De pls, le srcot por ltilisation deboulons plus rsistants peut dpasser 30%.Enfin, les problmes voqus
prcdemment, lis au risque de desserragedans le cas minimal, demeurent.
linverse, un assemblage conu pourutiliser 16 boulons M20 classe 12-9 serrsau couple pourra tre re-conu pour utiliser16 boulons M20 classe 10-9 serrs autendeur hydraulique. Le coefficient descurit de lassemblage en sera mmeaugment.
Augmentation du nombre de boulonsIl est bien vident que cette solution nepeut tre choisie que si la place disponibleest suffisante sur le diamtre de rpartitiondes fixations.
Lespacement entre deux boulons doit tretel quavec lcrou voisin la douille de la cl
de serrage puisse tre mise en place sansproblme.
Dans lexemple choisi, lencombrement
extrieur de lcrou est environ de 36 mm etcelui de la douille de 50 mm.
Lespace cordal entre deux boulons doitdonc tre suprieur 43 mm.
Prenons 50 mm pour tre laise.On voit quavec 16 boulons sur un
diamtre de 500 mm lespace cordal tant de 97,55 mm on a toute la placesouhaite. On peut mme aller jusqu30 boulons puisque, dans ce cas, lespace cordal est encore de 52,26 mm.
Pour 16 boulons, la contrainte maximaleest : seq maxi= 1 033 MPa, alors que nous nevoulons pas dpasser 810 MPa ; il faut doncla rduire de plus de 20%.
Si dans n premier temps nos appliqons
tout simplement ce coefficient au nombre deboulons, nous trouvons quil en faut 20 aulieu de 16.
Voyons ce que lon obtient par le serrageau couple avec ces 20 boulons.
Tout dabord, nous avons vu que lefforttotal moyen de serrage est :
168 000 16 = 2 688 000 N
Soit dans le cas de 20 bolons :
F0 m= 134 400 N par bolon.
Ensuite, leffort total extrieur de tractiontant rparti sur 20 boulons est maintenantde : 2 240 000/20 = 11 200 N par point
de fixation, et, compte tenu des raideurs,la surcharge sur chaque boulon est :
F1= 12 720 N
Reprenons por les 20 bolons les calcls de
couple faits pour les 16 boulons.
Couple moyen ncessaire pour obtenir l effort
moyenCouple moyen rsistant au niveau des filets :
Tth m= 134 400 (0,16 2,5) + 134 400(0,10 0,583 18,376)
Tth m= 53 760 + 144 000 = 218 400 Nmm
Couple moyen rsistant au niveau de la facede lcrou :
Tfl m= 134 400 (0,125 13)Tfl m= 218 400 Nmm
Couple moyen appliquer :
TT m= Tth m+ Tfl m= 416 160 Nmm416,16 Nm41,616 daNm
Et avec le niveau de prcision de loutil de
serrage, le couple rellement appliqu sesituera de faon alatoire entre :
TT mini = 416 160 0,95 = 395 350 NmmTT maxi = 416 160 1,05 = 436 970 Nmm
Efforts de tension minimal et maximal
correspondants sur le boulon
Fmini= TT mini7(0,16 2,5 + mth maxi0,583 d2+ mfl maxi13)
Fmini= 395 3507(0,16 2,5 + 0,12 0,58318,376 + 0,15 13)
Fmini= 108 740 N
Fmaxi= TT maxi7(0,16 2,5 + mth mini0,583 d2+ mfl mini13)
Fmaxi= 436 9707(0,16 2,5 + 0,08 0,58318,376 + 0,10 13)
Fmaxi= 170 890 N
Effort moyen rel :
F0 mr= (108 740 + 170 890)72 = 139 815 N(soit 4% de plus que leffort moyen vis)
Plage de tension du boulon par rapport leffort vis :
F0= 134 400 N (+27% 19%)
Analyse des contraintes dans le boulon dans le
cas maximal
Contrainte de traction :smaxi= Fmaxi/AS= 170 890/244,5smaxi= 699 MPa
contrainte de torsion :tmaxi= 16 Tth maxi7(pd3eq)Tth maxi= 170 890 (0,16 2,5 + 0,08
0,583 18,376)= 135 944 Nmm
tmaxi= 126 MPa contrainte qivalente (critre de Von
Mises) :
seq maxi= smaxi2+ 3 tmaxi2
seq maxi= 732 MPaPJJJJJJ
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Application de leffort extrieur
Nos avons v qe la part deffort extrier
reprise par chaque boulon est :
F1= 12 720 N
Effort de tension maximal sur le boulon :
Fmaxi= 170 890 + 12 720 = 183 610 N
Contraintes en considrant leffort extrieur
Contrainte de traction :
smaxi= 751 MPa contrainte de torsion :
tmaxi= 126 MPa contrainte qivalente de Von Mises :
seq maxi= 782 MPa
On voit que le choix de 20 boulons au lieu de16 peut convenir.
Mais le surcot de la boulonnerie estde 25% auquel il faut ajouter les surcotsdsinage. De pls, l encore, les problmes
lis au risque de desserrage dans le casminimal demeurent.
(Il convient de noter quun calcul avec 18boulons conduit une contrainte maximalede seq maxi= 862 MPa incompatible avecnotre critre de scurit.)
linverse, un assemblage conu pourutiliser 20 boulons M20 serrer au couplepourra tre re-conu pour nutiliser
que 16 boulons M20 serrs au tendeurhydraulique.
Augmentation du diamtre des boulons
Comme pour le cas du changement dunombre de boulons, appliquons toutsimplement dans un premier temps lecoefficient de 20% au carr du diamtredes boulons. Compte tenu des dimensionsstandards, nous trouvons quil faut un boulonde 24 mm de diamtre au lieu de 20 mm.
Les dimensions du filetage M24 3 ISOsont :
d = 24 mmd2 = 22,0508 mmd3 = 20,320 mmdeq= 21,1854 mmAS = 352,5 mm2.
L nous avons toujours besoin dun efforttotal moyen de serrage :
F0 m= 168 000 N par bolon.
Reprenons por les bolons M24 les calcls
de couple.
Couple moyen ncessaire pour obtenir l effort
moyen
Couple moyen rsistant au niveau des filets :
Tth m= 168 000 (0,16 3) + 168 000(0,10 0,583 22,0508)
Tth m= 80 640 + 215 970 = 296 610 Nmm
Couple moyen rsistant au niveau de la facede lcrou :
Tfl m= 168 000 (0,125 16)Tfl m= 336 000 Nmm
Couple moyen appliquer :
TT m= Tth m+ Tfl m= 632 610 Nmm(632,61 Nm o 63,261 daNm)
Et avec le niveau de prcision de loutil deserrage, le couple, rellement appliqu sesituera de faon alatoire entre :
TT mini = 632 610 0,95 = 600 980 NmmTT maxi = 632 610 1,05 = 664 240 Nmm
Efforts de tension minimal et maximal
correspondants sexerant sur le boulon
Fmini = 600 9807(0,16 3 + 0,12 0,58322,0508 + 0,15 16)
Fmini = 135 890 N
Fmaxi = 664 2407(0,16 3 + 0,08 0,58322,0508 + 0,10 16)
Fmaxi = 213 690 N
Contraintes dans le boulon dans le cas
maximal
Contrainte de traction :smaxi= Fmaxi/AS= 213 690/352,5smaxi= 606,5 MPa
contrainte de torsion :tmaxi=16 Tth maxi7(pd3eq)
(Tth maxi= 213 690 (0,16 3 + 0,08 0,583
22,0508) = 322 340 Nmm) tmaxi= 173 MPa contrainte qivalente (critre de Von
Mises) :
seq maxi= smaxi2+ 3 tmaxi2
seq maxi= 676 MPaPJJJJJJ
Application de leffort extrieur
On sait que leffort extrieur par fixation est :
FE= 140 000 N
Mais compte tenu du diamtre du boulonplus important, sa raideur est augmente.
Et donc la part de leffort extrieur quilreprend est plus importante et devient :
F1= 21 860 N (a lie de 15 900 N)
Leffort de tension maximal sur le boulon sera :
Fmaxi= 213 690 + 21 860 = 235 550 N
Contraintes en considrant leffort extrieur
Contrainte de traction :smaxi= 668 MPa
contrainte de torsion :tmaxi= 173 MPa
contrainte qivalente de Von Mises :seqmaxi= 732 MPa.
On voit que le choix de boulons M24 3 aulieu de M20 2,5 peut aussi convenir.
Mais le surcot de la boulonnerie estsouvent de 40% et les problmes lis aurisque de desserrage dans le cas minimaldemeurent.
Il convient de noter quun calcul avecdes boulons M22 2,5 (dimensions peu
courantes) conduit une contrainte maximalede seqmaxi= 839 MPa, donc si on souhaiteutiliser ces boulons, il faudra admettre derduire le coefficient de scurit.
linverse, un assemblage conu pourutiliser 16 boulons M24 3 serrs au couplepourra tre re-conu pour utiliser 16 boulonsM20 2,5 serrs au tendeur hydraulique.
Comparaison entre un serrage au couple et un serrage au tendeur hydraulique
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F0(%)
125 %
100 %
75 %
50 %
25 %
115 %
0 1
BA
Le serrage simultan par la tractionhydraulique
Le serrage simultan consiste serrer enmme temps plusieurs ou la totalit desboulons dun assemblage.
On trouvera quelques exemples deserrages simultans en fin de chapitre.
Nos avons v prcdemment qe ce
processus de serrage prsente des avantagesimportants, souvent mme dterminants :
grande homognit de serrage de
lensemble des boulons de lassemblage mise en vre simple
dre dintervention rdite.
Or il se trouve que le serrage par tractionhydraulique constitue justement le moyenle plus pratique pour mettre en uvre ceprocessus de serrage simultan.
Les informations qui suivent sontgnrales et donnes titre dexemple. Les
rsultats sur application relle peuvent varierselon les dimensions et les tolrances descomposants, la qualit des outillages de miseen tension et la procdure mise en uvre.Lapplication pourra, si ncessaire, faire lobjetdune tude plus prcise.
Le serrage simultan
de 100% des boulonsde lassemblageCest la mthode la plus prcise et la plusrapide : tous les boulons sont serrs enmme temps ( diagramme 17). Maisil faut prvoir autant de tendeurs que deboulons.
Ainsi, dans lexemple prcdent, le serrage
simultan consiste utiliser en mme
Serrage simultan de 100% des boulons de lassemblage
temps 16 tendeurs avec les tuyauterieshydrauliques ncessaires lalimentation.
Lopration de serrage est fort simplepuisquil suffit de mettre en placelensemble des tendeurs, de les connecterhydrauliquement la source de pression,de procder la monte en pressionsimultane et de raliser laccostage lapression ncessaire (en doublant loprationde prfrence) pour obtenir leffort voulu.Dans notre exemple : effort rsidel
F0= 168 000 N por n effort hydraliqeFh= 192 400 N obten avec des tendersSKF HYDROCAM HTA 20 monts la
pression de 98 MPa.Lhomognit de serrage ainsi obtenue
pour tous les boulons est excellente.En effet, nous savons par exprience
que les dispersions que nous avions prisesen compte dans la premire partie de cedocument sont notablement diminues :
la dispersion sr le rapport Fh/F0estrduite 1% la dispersion sr leffort hydraliqe ne
dpend plus que des seuls tendeurs, elleest ainsi rduite 1%
la dispersion sr laccostage est rdite
2%.
La dispersion de serrage entre tous lesboulons de lassemblage sera de 4%.
A = cart de la valeur moyenne des tensions rsiduelles obtenues aprs serrage par rapport la tension rsiduelle vise : < 1%
B = cart total de toutes les tensions rsiduelles obtenues aprsserrage par rapport la valeur moyenne : 4%
Diagramme 17
Nombre de boulons = 16Nombre de tendeurs = 16
100% des boulons
Passes
Tension hydraulique
Tension rsiduelle
Serrage simultan par couronne monobloc
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Machine de serrage et de desserrage de goujons de cuves de racteurs nuclaires
Pupitre
Serrage simultan partendeurs individuelsavec alimentationcentralise
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F0(%)
125 %
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75 %
50 %
25 %
90 %94 %97 %
115 %
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Le serrage simultan par la traction hydraulique
Serrage simultan de 50% des boulons de lassemblage
A = cart de la valeur moyenne des tensions rsiduelles obtenues aprs serrage par rapport la tension rsiduelle vise : +1%/3%
B = cart total de toutes les tensions rsiduelles obtenues aprs serrage par rapport la valeurmoyenne : +5%/7%
Diagramme 18
Passes
Tensionhydraulique
Tensionrsiduelle
Nombre de boulons = 16Nombre de tendeurs = 8
1repasse
2epasse
1ercyclede 2 passes
2ecyclede 2 passes
50% des boulons
Le serrage simultande 50% des boulons delassemblageCest le cas o la moiti des boulons estserre en mme temps ( diagramme 18).
Il y a donc ncessit davoir un nombrede tendeurs gal la moiti du nombre deboulons serrer.
Ainsi, dans lexemple prcdent,
8 tendeurs sont utiliss avec les tuyauterieshydrauliques ncessaires lalimentation.
Lopration de serrage doit tre ralise endeux passes sur le premier lot de boulons etau moins une sur le second lot, soit un totalde trois, voire quatre, passes de serrage.
Une premire passe sur la moiti desboulons, par exemple les boulons pairs,pour lesquels on procdera une mise soustension la valeur de leffort hydrauliquereqis, soit 192 400 N por obtenir n effort
rsidel de serrage moyen de 168 000 N
aprs accostage et relchement de lapression.
Une premire passe sur lautre moiti desboulons donnera un effort rsiduel moyende 168 000 N sr ces derniers bolons, mais
provoquera le dchargement des premiersdenviron 10% qui se retrouvent ainsi un
serrage moyen de 151 000 N.Une deuxime passe sur le premier lot est
donc ncessaire pour ramener les boulons la valer vole de 168 000 N, mais cette
passe va de nouveau provoquer le desserragedu second lot denviron 6%, la valeur duserrage du second lot ne sera donc plus que158 000 N.
Si le nivea de prcision ainsi atteint est
compatible avec le niveau requis, loprationde serrage peut tre arrte l.
Mais quelquefois il faudra procder une nouvelle passe sur le second lot quiretrouvera donc une tension rsiduelle de168 000 N.
Le premier lot se trouvera alors un peudesserr mais seulement denviron 3%, soitune valeur moyenne de serrage rsiduelde 163 000 N, ce qi est sovent tot fait
acceptable.Lhomognit de serrage obtenue dans
ces conditions nest pas aussi bonne que pour
le serrage simultan 100%.Mais la dispersion gnrale restera un
niveau de : +5%/7%.Dans bien des applications cette dispersion
pourra tre considre comme acceptable.Il est bien vident que le temps dintervention
est plus long que dans le cas prcdent.
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Exemple doutillage de serrage semi-simultan(50%) de valve de grande dimension dans une
application de ptrochimie
Exemple doutillage pour serrage semi-simultan(50%) de couvercle de cuve pour produitschimiques
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Ce nest quau bout de sa quatrime passequil ne sera affect par les serrages voisinsque de 5%.
Si le nivea de prcision ainsi atteint
(dans notre exemple : 159 600 N deffort
rsiduel pour le 1erlot de 4 boulons et jusqu168 000 N por le lot final) est compatible
avec le niveau requis, lopration de serragepeut tre arrte l.
Lhomognit de serrage obtenue dansces conditions nest pas aussi bonne que pourle serrage simultan 50% ( fortiori pour leserrage 100%).
quipement de serrage simultan de culasse de gros moteurs diesel
La dispersion gnrale se situera au niveaude : +6%/10%.
Si ncessaire, ne passe spplmentaire
peut tre ralise sur le premier lot de4 boulons pour rduire encore la dispersionqui pourra ainsi tre ramene +5%/8%.
Il est bien vident que lutilisation dun
moyen de contrle permet de rduireles valeurs de dispersion prcdemmentindiques.
Comme le nombre de passes sera plusimportant, le temps dintervention seraaugment en proportion.
Les ncessits et exigences lies lapplication guideront le concepteur, lemonteur et le charg de maintenance dansleur choix. Mais on peut dores et djaffirmer que, dans la majorit des cas, il y aun grand intrt, pour avoir un serrage prciset optimis, avoir recours au serrage
simultan par tendeurs hydrauliques.
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Conclusion
tant donn que la qualit dun assemblageboulonn dpend de deux paramtresintimement lis :
la conception de lassemblage
le mode de serrage des bolons, il est
indispensable de choisir le bon modede serrage ds la conception.
La mthode de serrage au couple offrelavantage dtre simple surtout si les boulonsne sont pas trop gros. Mais le couple deserrage a linconvnient de gnrer dans lesboulons des contraintes de torsion parasitesqui fragilisent lassemblage et, surtout,limprcision de la tension finale de serrageest importante. Et mme si lutilisation decls hydrauliques de grande qualit peutamliorer un peu les choses, pour beaucoupdapplications exigeantes, ces inconvnientssont rdh