Assemblages par éléments filetés. Calcul

1. Données générales

1.1 Normalisation

1.2 Détermination du couple de serrage

1.3 Tenue statique d’un boulon

1.4 Tenue dynamique d’un boulon

2. Assemblages boulonnés soumis à des charges axiales d’intensité variable

2.1 Préserrage

2.2 Assemblage précontraint soumis à un effort extérieur porté par l’axe du boulon

2.3 Assemblage soumis à des sollicitations cycliques en service : problème de la rupture par fatigue des boulons

3. Assemblages soumis à des charges excentrées. Flexion des pièces

3.1 Modification du comportement. Importance de la valeur de la précontrainte

3.2 Modèle VDI 2230

3.3 Modélisation prenant en compte la modification de la répartition des contraintes de contact

3.4 Modélisation en poutre fléchie

3.5 Précontrainte optimale pour un assemblage soumis à des sollicitations d’amplitude variable

3.6 Règles pratiques de conception des assemblages

4. Méthodes pratiques de vérification d’un assemblage boulonné

4.1 Liaison de proportions courantes avec un chargement faiblement excentré : utilisation du modèle VDI 2230

4.2 Liaison de grande longueur par rapport aux dimensions de la section

4.3 Liaison de faible épaisseur par rapport à l’excentration des charges

5. Différents procédés de vissage

5.1 Vissage au couple

5.2 Vissage à l’angle

5.3 Vissage à la limite d’élasticité

5.4 Utilisation d’un tendeur hydraulique

5.5 Mesure du préserrage par ultrasons

Notations et symboles

Les assemblages boulonnés, qui sont sans aucun doute les systèmes de liaison les plus utilisés en mécanique, sont souvent soumis à des méthodes de dimensionnement rudimentaires, qui conduisent dans la plupart des cas à surdimensionner considérablement l’assemblage sans pour autant en garantir la sécurité.

Il est vrai que l’assemblage boulonné est un élément de machine au comportement complexe qui n’a sans doute pas encore fait l’objet de tous les travaux de recherche que son importance dans la construction mécanique justifierait.

L’historique des méthodes de calcul est exposé dans l’ouvrage de IIlgner [1]. À partir des travaux de Wöhler en 1870 et de Von Bach en 1891 sur la fatigue des matériaux, Camerer, au début du siècle, se préoccupa de la distinction à faire entre la charge de travail, la charge supplémentaire supportée par l’élément de fixation et la force de serrage résiduelle dans l’interface en fonction des rigidités. Il est d’ailleurs tout à fait étonnant qu’il ait déjà indiqué que le niveau d’introduction de la charge avait une grande influence. À partir de ces travaux, Rotscher [2] conçut le diagramme de l’assemblage qui est resté la base du système de calcul. L’ouvrage de Wiegand et Hass [3], publié en 1940, réalise la synthèse de ces connaissances et introduit la distinction entre la résistance statique et la résistance dynamique de l’assemblage.

Ce n’est que vingt ans plus tard, dans les années soixante, que de nombreux travaux sur la déformation des pièces assemblées modifièrent de façon importante l’hypothèse émise par Rotscher ([4] à [10]) et il fut alors proposé des modélisations permettant de déterminer avec une précision suffisante les raideurs des divers composants de l’assemblage. Plus récemment, toute une série de travaux réalisés à l’université technique de Berlin [11] [12] [13] [14] ont précisé ces connaissances et ont permis d’aboutir à des méthodes de calcul efficaces dans le cas des assemblages serrés et chargés axialement ou dans le cas de serrages et de chargements faiblement excentrés.

La synthèse complète de ces travaux est réalisée par les directives VDI 2230 [15] [16] ; on en retrouve l’essentiel dans un ouvrage publié par le CETIM [17], ainsi que dans la norme FD E 25-030.

Le cas des chargements fortement excentrés entraînant de grandes déformations de flexion des pièces assemblées n’a été étudié de façon satisfaisante que très récemment [18]. Il a alors été possible de mettre en évidence l’influence prépondérante de la grandeur de la précontrainte sur le supplément d’effort supporté par l’élément d’assemblage pour ce cas de chargement et l’existence d’une valeur optimale de celle-ci dans le cas d’assemblages soumis à des forces d’intensité variable [19].

Dans cet article on utilisera, pour simplifier et de façon quasi systématique, l’expression assemblages boulonnés pour désigner les assemblages par éléments filetés. Les méthodes de calcul développées sont également valables pour les assemblages par vis ou par goujons.