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Couple de serrage d'une vis

Un jour, j'ai demandé à un ancien monteur à quel couple doit se serrer une vis. La réponse ? "Un quart de tour avant que ça casse !"
Bien que ce point de vue soit plutôt défendable, cela ne nous apporte pas grand chose... Nous allons donc voir ici comment définir le couple de serrage d'une vis en fonction de son diamètre, sa qualité, l'outillage, etc

Attention ! La relation couple / effort de serrage est dépendante de nombreux paramètres, et en particulier des coefficients de frottement.
Ces paramètres étant difficilement maîtrisables, un serrage au couple reste incertain.

Relation couple de serrage / tension de la vis

Une relation entre le couple et l'effort a été établie par Kellermann & Klein, à la suite d'expérimentations. Cette relation a servi de base à plusieurs normes (notamment ISO 16047 et DIN 946) et se présente ainsi :

Cote vis Kellerman Klein
C = Ft . ( 0,161.P +
µt . Dt /1,715
+
µh . Dh /2
)

Avec :

  • C : Couple de serrage en N.m
  • Ft : Tension de la vis en kN
  • P : Pas de la vis en mm
  • µt : Coefficient de frottement du filetage
  • Dt : Diamètre moyen du filetage en mm
    Dt = (diamètre extérieur filetage + diamètre perçage) / 2
  • µh : Coefficient de frottement sous tête
  • Dh : Diamètre moyen sous tête en mm
    Dh = (diamètre tête de vis + diamètre trou de passage) / 2

Comme évoqué plus haut, les résultats de ce calcul sont relativement incertains... En effet, de nombreux paramètres influent sur les coefficients µt et µh : les matières, la lubrification, les états de surface, la dureté, le nombre de serrages / desserrages,...
A titre indicatif, ci-dessous quelques valeurs de référence pour l'acier :


Influence du moyen de serrage

Après avoir lu cette première partie, vous vous dites peut-être : "Ça va, l'erreur est quand même réduite, je prends pas trop de risques..."
Et bien, vous vous trompez... Un autre paramètre influe grandement, et c'est le moyen de serrage. En effet, ce n'est pas parce que vous réglez votre clé dynamométrique sur 50 N.m que vous allez réellement serrer à 50 N.m : ce type d'outil a une imprécision qui peut aller jusque 50% !
Différentes classes de précision existent et sont indiquées sur les outils de serrage (avec également, parfois, l'incertitude)

Pour avoir un ordre d'idée, une clé dynamométrique "simple" sera souvent en classe C20, et une clé dynamométrique électronique ou hydraulique sera en C10 (on peut descendre jusqu'à 3% d'incertitude avec certains matériels...)
En revanche, une visseuse à crabots ou une clé à chocs simple sera plutôt en classe C50...

Sur des matériels plus anciens (avant la révision de la NF E25-030 en 2014), les classes de précision ne sont pas exprimées de la même manière. Les classes étaient exprimées ainsi :

De plus, peu importe le moyen de serrage au couple utilisé, une contrainte "parasite" de torsion va être appliquée, et la valeur de celle-ci est également variable...
On considère qu'elle peut atteindre jusque 30% de la contrainte de traction appliquée à la vis.

Attention

Attention : dans tous les cas, le serrage doit être fait avec un outil ayant fait l'objet d'un contrôle périodique auprès d'un organisme de métrologie certifié !


Mais alors, quel couple définir ?

On va partir de la vis : son diamètre et sa qualité. En général, on considère que la tension de serrage doit représenter au maximum 80 à 90% de la limite d'élasticité de la vis.
Un petit rappel de cette valeur ? Consultez l'article sur les classes de qualité de visserie.
Ensuite, on va diviser cette tension par un facteur en fonction du moyen de serrage (1,2 pour une incertitude de 20% par exemple).
Enfin, on va définir les valeurs Dt, Dh, µt, et µht en fonction de la conception.

Plus qu'à calculer!

Un petit exemple

Pour illustrer ce calcul, ci-dessous un petit exemple. Données d'entrée :

Pour notre vis classe 10.9, on applique donc une tension max Ft de :

Ft =
0,85 * 900 * 84,3/1,15
= 56078 N = 56,078 kN

On a également :

µt = 0,1 et µh = 0,1
Dt = 0,5 x (12 + 10,3) = 11,15
Dh = 0,5 x (18 + 13,5) = 15,75

Finalement, on en déduit le couple de serrage :

C = 56,078 x (0,161 x 1,75 +
0,1 x 15,75/1,715
+
0,1*15,75/2
)
C ≈ 111 N.m

Attention

Attention : les coefficients de frottement pouvant être très variables, il est souvent pertinent de ne pas faire un calcul avec une valeur de µt et µh, mais de se définir des bornes mini / maxi.
Pour reprendre notre exemple ci-dessus, si on ne se base plus sur un coef de frottement à 0,1 mais qu'on se dit que le coef sera "entre 0,09 et 0,13" par exemple, on trouve un couple de serrage final variant entre 102 N.m et 140 N.m.
Comme vous le voyez, la différence est très importante ! D'où l'importance de maitriser au mieux les facteurs influençant les coefficients de frottement...


Quelques autres paramètres

D'autres paramètres influent également sur la relation couple / tension, mais ils ne seront pas évoqués dans le détail ici car assez complexes et pas forcément vitaux pour des applications classiques. En revanche, ces paramètres sont très importants dans les domaines de l'aéronautique et du nucléaire entre autres...
A titre d'exemple, ci-dessous des éléments impactant le rapport couple / tension :

Un autre paramètre (et pas des moindres) entre en action : l'humain. En effet, d'une personne à l'autre, les résultats pourront être sensiblement différents lors d'un serrage au couple (vitesse, sensibilité, double déclenchement...)
Ce paramètre, par définition, est difficielement maîtrisable. Cependant, il peut être intéressant d'essayer d'harmoniser les méthodologies des équipes de monteurs, afin de réduire cet impact.

Les bonnes pratiques

Avant tout, petit rappel : si vous devez fixer un élément du commerce dont la tension de serrage impacte le bon fonctionnement, il faut toujours respecter les préconisations du fournisseur.

Ensuite, pour le cas général, il faut s'efforcer de diminuer le couple tout en gardant une tension maximale dans la vis pour avoir un serrage efficace. En effet, plus le couple est élevé plus la contrainte parasite de torsion est importante. En plus de contraindre davantage (voire trop) la vis, cette contrainte de torsion favorise le desserrage en cas de vibrations.

Les calculs ci-dessus permettent de comprendre un peu comment fonctionne le serrage, et donc d'en déduire quelques bonnes pratiques lors d'un serrage au couple :


Comment améliorer le contrôle du serrage ?

Le serrage au couple est très utilisé car simple à mettre en œuvre et, somme toutes, plus précis et répétable que "un quart de tour avant que ça casse".
Cependant, selon les applications, il arrive que l'effort de serrage nécessite précision et répétabilité... Dans ce cas, il faudra peut-être oublier la clé dynamo et envisager un autre moyen de serrage.
Ci-dessous quelques exemples :


Et pour la visserie inox ?

Et oui, l'inox ce n'est jamais pareil... Ce qui va changer principalement, c'est les coefficients de frottement, qui sont très variables avec de l'inox. Déjà, on aura rarement le même coefficient dans le filetage et sous-tête, car l'inox a tendance à "coller" dans le filetage; le coefficient variera également beaucoup suivant si on est vissé dans de l'inox ou de l'alu.
Enfin, attention : lorsque l'on va serrer au couple, les filets pourront avoir tendance à se ronger (car soumis à une contrainte importante). On peut limiter ce phénomène en lubrifiant convenablement.
Bref, à moins que votre conception ne l'impose, essayez d'éviter l'inox pour un serrage au couple!

En savoir plus

Si vous souhaitez approfondir le sujet et définir plus précisément les couples de serrage, vous pouvez consulter les normes suivantes :

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