Presque tous les produits d'ingénierie de complexité variable utilisent desattaches. Par rapport à la plupart des autres méthodes de connexion, l’un des principaux avantages des fixations filetées est qu’elles peuvent être démontées et réutilisées.
Cette caractéristique est généralement la raison pour laquelle les fixations filetées sont préférées aux autres méthodes de connexion, et elles jouent souvent un rôle crucial dans le maintien de l'intégrité structurelle des produits.
Cependant, ils constituent également une source importante de problèmes au niveau des machines et d’autres composants. La cause de ces problèmes réside dans leur mécanisme de desserrage automatique. Ce mécanisme de desserrage automatique pose depuis longtemps un problème et, au cours des 150 dernières années, les concepteurs ont développé des méthodes pour empêcher ce phénomène.
De nombreux types courants de méthodes de verrouillage pour les fixations filetées ont été inventés il y a plus de 100 ans, mais ce n'est que ces dernières années que les principaux mécanismes conduisant à l'auto-desserrage ont été compris. Il existe de nombreux mécanismes pouvant provoquer le desserrage des attaches filetées, qui peuvent être divisés en desserrage par rotation et desserrage sans -desserrage par rotation.
Desserrage rotatif et non-rotatif
Dans la grande majorité des applications, les fixations filetées sont serrées et une précharge est appliquée à la connexion. Le desserrage peut être compris comme la perte de précharge ultérieure une fois le processus de serrage terminé. Cela peut se produire de deux manières :
Le desserrage par rotation, communément appelé auto-desserrage-, fait référence à la rotation de la fixation sous l'action de charges externes.
Le desserrage non-rotatif fait référence à la perte de précharge sans mouvement relatif entre les filetages interne et externe.
Desserrage des fixations provoqué par un desserrage non-en rotation
Un desserrage sans-rotation peut se produire en raison de la déformation de la fixation elle-même ou des composants connectés après l'assemblage. Ceci est le résultat d’un effondrement plastique partiel de ces interfaces.
Vue agrandie du contact avec une surface rugueuse
Lorsque deux surfaces sont en contact l’une avec l’autre, chaque surface supporte la charge de la surface d’appui. Étant donné que la surface de contact réelle est beaucoup plus petite que la surface, même sous des charges modérées, des contraintes locales très élevées sont continuellement supportées, qui dépassent la limite d'élasticité du matériau.
Ceci peut conduire à un effondrement partiel de la surface une fois l'opération de serrage terminée ; cet effondrement est généralement appelé encastrement.
La quantité de force de serrage perdue en raison de l'encastrement dépend de la rigidité du boulon et des composants connectés, du nombre de surfaces de contact présentes dans la connexion, de la rugosité de la surface et de la contrainte de surface d'appui appliquée.
Dans des conditions de contrainte de surface modérées, l'encastrement provoque généralement une perte de force de serrage d'environ 1 % à 5 % dans les premières secondes suivant le serrage du joint. Lorsque le joint est ensuite soumis à des charges dynamiques appliquées, la force de serrage peut encore diminuer en raison des changements de pression se produisant sur la surface de contact du joint.
Si la contrainte d'appui superficielle est maintenue en dessous de la limite d'élasticité en compression du matériau du composant connecté, la quantité de perte d'ancrage peut être calculée et compensée dans la conception de l'assemblage.
Théorie de Junker sur l'auto-desserrage des fixations
En 1969, Gerhard Junker a utilisé les résultats de tests techniques pour étayer sa théorie sur les raisons pour lesquelles les fixations filetées se desserrent automatiquement. Sa principale découverte était qu'une fois qu'un mouvement relatif se produit entre les filetages correspondants et entre la surface d'appui de la fixation et le matériau de serrage, la fixation préchargée se desserre en raison de la rotation.
Il a également été constaté que les charges dynamiques transversales provoquent un desserrage plus important que les charges dynamiques axiales. La raison en est que le mouvement radial sous charges axiales est nettement inférieur à celui sous charges transversales.
Mouvement transversal des assemblages boulonnés
Junker a montré qu'une attache préchargée se desserre automatiquement-lorsqu'un mouvement relatif se produit entre les filetages d'accouplement et la surface d'appui de l'attache. Cela se produit lorsque la force transversale agissant sur l'assemblage est supérieure à la force de frottement générée par la précharge du boulon.
Pour les petits déplacements transversaux, un mouvement relatif peut se produire entre les flancs du filetage et les surfaces de contact des roulements. Une fois le jeu du filetage surmonté, le boulon sera soumis à des forces de flexion et si le glissement transversal persiste, un glissement au niveau de la surface d'appui sous la tête du boulon se produira.
Une fois démarré, il n'y aura temporairement aucune friction au niveau des filetages et sous la tête du boulon. Le couple d'auto-desserrage généré par la précharge agissant sur l'angle d'hélice du filetage provoque une rotation correspondante entre l'écrou et le boulon. Sous l'effet de mouvements transversaux répétés, ce mécanisme peut provoquer un desserrage complet de l'attache.
Pour étudier les causes du desserrage, Junker a développé une machine de test, comme le montre la figure ci-dessous, qui quantifie l'efficacité anti-desserrage des conceptions de fixations.
Machine d'essai de fixation Junker
Des roulements à billes sont utilisés pour éliminer l'effet de friction entre les plaques mobiles et fixes. Lorsqu'un mouvement transversal est appliqué à partir de la plaque mobile qui serre l'écrou, la cellule de pesée surveille en permanence la charge du boulon.
Par rapport aux normes d'essai de vibration ordinaires, la perte de précharge peut être mesurée pendant l'essai et un graphique de la précharge en fonction du nombre de cycles peut être tracé.
Le principe de la machine Junker est que le déplacement transversal généré par la came fait osciller la fixation, surmontant la force de friction de la fixation pour produire un desserrage.
Capture d'écran de la machine d'essai Junker
Courbe de relâchement du test de vibration Junker
Grâce aux tests Junker, les performances de différentes conceptions anti-desserrage-de fixation peuvent être comparées. Au cours des deux dernières décennies, un grand nombre d'études sur les conceptions anti-desserrage-de fixations existantes ont été réalisées pour comparer leurs propriétés anti-desserrage-.
Pour une comparaison efficace, il est crucial d’utiliser la même amplitude de vibration, car cela a un impact significatif sur les résultats. La figure ci-dessous montre un résultat de test typique d'une rondelle élastique.
Le test a montré que le fait de placer une rondelle élastique hélicoïdale sous la tête du boulon accélérait en fait le desserrage. D'autres ont également prouvé que l'utilisation de telles rondelles présentait des performances similaires à l'utilisation de boulons sans aucun dispositif de verrouillage.
De nombreux grands équipementiers, conscients de ces résultats, ne spécifient plus de telles rondelles dans leurs normes internes.
De nombreux dispositifs de verrouillage utilisés pour les fixations filetées visent à empêcher le mouvement relatif entre les filetages (par exemple, les contre-écrous en nylon) ou le mouvement relatif entre la surface d'appui et les composants connectés (par exemple, divers types de rondelles « de blocage »).
Cependant, Junker et d'autres chercheurs ultérieurs ont souligné l'importance d'empêcher le mouvement transversal du joint : une conception d'assemblage boulonné appropriée garantit que la force de serrage du boulon est suffisante pour empêcher tout mouvement transversal dû au frottement des plaques de connexion, évitant ainsi le desserrage.
Pendant la phase de conception, cela peut être réalisé en sélectionnant la taille et la résistance appropriées des fixations afin que la précharge puisse générer une friction suffisante pour résister au mouvement du joint provoqué par des charges externes.
Vissez la conclusion de Jun
La cause fondamentale du desserrage des fixations filetées est le mouvement des articulations, en particulier le glissement transversal de lafiletages de boulonset surfaces d'appui. Si une précharge suffisante peut être obtenue du boulon pour empêcher le mouvement du joint, aucun dispositif de verrouillage n'est nécessaire, car la friction maintiendra les pièces ensemble.
Le principal problème dans la conception des fixations filetées est de garantir que la précharge est suffisante pour maintenir les pièces fermement ensemble lorsque des changements dans les conditions de frottement sont inclus.
Ce graphique montre l'effet des changements de friction sur la précharge des boulons.
La clé pour éviter le desserrage est de fournir une précharge suffisante des boulons.
Généralement, les joints doivent être conçus sur la base de la précharge minimale générée au coefficient de frottement maximal ; la conception utilisant la valeur moyenne de précharge entraînera le desserrage de nombreuxboulons.
Dans le même temps, il est également nécessaire de prendre en compte la perte de précharge provoquée par l’encastrement. Pour limiter le degré d'encastrement, il est nécessaire de garantir la plage de contraintes maximale à laquelle le matériau serré peut résister.
Dans les cas où le mouvement du joint ne peut être empêché, par exemple en présence d'une dilatation thermique, un dispositif de verrouillage ayant une capacité éprouvée doit être spécifié.
