1 Méthode et dispositif de serrage d'un ensemble vissé
La présente invention se rapporte à une méthode et à un dispositif de serrage d'un ensemble vissé.
Les ensembles vissés comprennent usuellement un assemblage présentant deux surfaces d'appuis opposés et un système vis/écrou comportant une tige filetée traversant l'assemblage. Le système vis/écrou s'entend d'une façon générale, d'une tige filetée apte à venir en prise à l'intérieur d'une pièce taraudée. La tige filetée présente deux extrémités opposées débouchant io respectivement dans les deux surfaces d'appui et au moins un écrou vissé à l'une desdites extrémités de la tige filetée, l'autre extrémité étant équipée d'un moyen de retenu, une tête ou un autre écrou. Lorsque l'écrou et la tige filetée sont entraînés en rotation l'un a rapport à l'autre, l'assemblage est serré et pris en sandwich entre l'écrou et le moyen de retenu. Durant le serrage, la tension 15 axiale de la tige s'accroit et l'enjeu est de la porter à une tension prédéfinie, en fonction de ses propriétés mécaniques intrinsèques et de l'intensité du serrage de l'assemblage souhaité. Aussi, on utilise habituellement une clé dynamométrique pour mesurer, durant le serrage, le couple de forces de serrage, et on applique une formule 20 semi-empirique de « Kellerman et Klein » : Cs = K . F, , F' correspondant à la tension axiale désirée dans la tige et Cs au couple de forces de serrage, tandis que le facteur K, spécifique du système vis/écrou considéré, inclut à la fois des éléments liés aux frottements dans le filetage, des éléments liés aux frottements de l'écrou ou de la tête, et des éléments liés à la réaction à la 25 tension induite par l'inclinaison du pas de vis. Cependant, ce facteur doit être évalué pour chaque système vis/écrou. Au surplus, pour bon nombre de système, les variations de la tension axiale et du couple de forces de serrage ne sont pas parfaitement linéaires. Aussi, on surdimensionne fréquemment les systèmes vis/écrou afin d'éviter le risque 30 d'une mise en tension de la tige, inférieure ou supérieure, à la tension prédéfinie et nécessaire à la tenue de l'assemblage. Aussi, un problème qui se pose et que vise à résoudre la présente invention, est de fournir une méthode de serrage et un dispositif de mise en oeuvre correspondant, qui permettent d'assurer à moindre coût un serrage plus précis et par conséquent, mieux dimensionné. Dans ce but la présente invention propose, selon un premier aspect, une méthode de serrage d'un ensemble vissé du type selon lequel, d'une part on fournit un assemblage présentant deux surfaces d'appui opposées et un système vis/écrou comportant une tige filetée traversant ledit assemblage et présentant deux extrémités opposées débouchant respectivement dans lesdites deux surfaces d'appui et un écrou vissé à l'une desdites extrémités de ladite tige filetée tandis que l'autre desdites extrémités est équipée d'un moyen de io retenue, et d'autre part on entraîne en rotation ledit écrou par rapport à ladite tige filetée de façon que ledit écrou prenne appui à force contre l'une desdites surfaces d'appui, tandis qu'on mesure un couple de forces de serrage ( Cs ) dudit écrou par rapport à ladite tige filetée pour pouvoir atteindre une valeur de couple limite ( Cs, ) correspondant à une tension axiale donnée ( F' ) de ladite 15 tige filetée durant l'entraînement en rotation. Selon l'invention, on équipe tout d'abord ledit système vis écrou avec un élément élastique déformable déterminé apte à venir prendre appui contre l'une desdites surfaces d'appui, ledit élément élastique étant destiné à être déformé lorsqu'on entraîne en rotation ledit écrou par rapport à ladite tige filetée de manière à transmettre un 20 effort axial déterminé ( Fp,r) à ladite tige filetée ; on enregistre ensuite simultanément, l'amplitude de l'angle de rotation dudit écrou par rapport à ladite tige filetée et la mesure dudit couple de forces de serrage (Cs) correspondant, de manière à déterminer un couple de forces intermédiaire (Op, ) correspondant audit effort axial déterminé ; et, on calcule ledit couple de forces de serrage 25 limite ( Cs, ) durant le serrage en multipliant ladite tension axiale donnée ( F' ) par la fraction dudit couple de forces intermédiaire et dudit effort axial déterminé (Cp,/Fp,r) . Ainsi, une caractéristique de l'invention réside d'une part dans la mise en oeuvre d'un élément élastique déformable dont les caractéristiques mécaniques 30 sont parfaitement déterminées, et plus précisément la tension de réaction lorsqu'il est déformé, et d'autre part dans le calcul du couple de serrage limite correspondant à la tension axiale donnée, durant l'opération de serrage. De la sorte, lorsque l'élément élastique déformable atteint son état de déformation maximal, la réaction en tension qu'il répercute dans la tige est déterminée, et sert alors d'étalonnage pour établir le couple de forces de serrage correspondant. On augmente ainsi la précision de serrage par rapport aux méthodes de serrage traditionnelles, par exemple la méthode dite « au couple », et ce à un coût avantageux. Cela permet également de dimensionner plus précisément le système vis/écrou. On observera également que la connaissance des différents éléments du facteur K essentiellement liés aux frottements, n'est nullement nécessaire. Aussi, la méthode de serrage étant indépendante de la structure des éléments de l'assemblage, il n'est plus io nécessaire d'étalonner le système vis/écrou. Avantageusement, l'élément élastique est une rondelle ressort, et par exemple, de forme tronconique. Ces rondelles sont peu coûteuses, et leurs propriétés mécaniques sont aisément calculables. Selon un mode de mise en oeuvre particulièrement avantageux, on 15 détermine à partir des enregistrements des amplitudes d'angle et des mesures de couple de forces correspondant, la mesure du couple de forces à partir de laquelle les mesures de couple de forces croissent plus rapidement en fonction des amplitudes d'angle pour identifier ledit couple de forces intermédiaire. Dans une première phase du serrage, l'élément élastique, par exemple une rondelle 20 tronconique, se déforme jusqu'à sa déformation maximale où elle est aplatie et plaquée contre l'une des surfaces d'appui, et où elle restitue l'effort axial déterminé. Ensuite dans une seconde phase de serrage, c'est la tige qui subit intégralement les efforts de traction, et ses capacités d'élongation sont moindres que celles de la rondelle élastique. Aussi, pour un même angle de 25 mouvement de l'écrou par rapport à la tige, la progression du couple de forces sera plus importante. Le couple de forces intermédiaire mesuré est celui où la tension axiale dans la tige est égale à l'effort axial déterminé de la rondelle, et il se situe précisément entre les deux phases précitées. Selon un mode de mise en oeuvre particulièrement avantageux, on définit 30 à partir desdits enregistrements deux équations de droites des amplitudes d'angle en fonction des mesures de couple de forces de serrage et on détermine l'ordonnée de l'intersection desdites deux équations pour extrapoler ledit couple de forces intermédiaire. Dans la première phase de serrage où le seul élément élastique se déforme, le couple croît linéairement avec l'angle de l'écrou par rapport à la tige, et l'inclinaison de la droite correspondante est celle du coefficient de raideur de l'élément élastique. Dans la seconde phase, l'élément élastique ne se déforme plus et seule la tige se déforme. Elle présente un coefficient de raideur supérieur à celui de l'élément élastique, et par conséquent, l'inclinaison de la droite correspondante est plus forte. Aussi, ledit couple de forces intermédiaire correspond théoriquement à l'intersection des deux droites. Préférentiellement, lesdites deux équations de droite sont définies par io régression linéaire, par exemple par la méthode des moindres carrés. Ainsi, durant le serrage, on détermine tout d'abord les paramètres de la première droite correspondant à la déformation élastique de l'élément déformable, puis ensuite on détermine les paramètres de la seconde droite correspondant à l'élongation de la tige. Durant la seconde phase de serrage, on calcule le 15 couple intermédiaire le plus rapidement possible, c'est-à-dire lorsque les enregistrements des amplitudes d'angle et des mesures de couple de forces correspondant font apparaître une progression linéaire, de manière à pouvoir calculer le couple de forces de serrage limite, avant qu'il ne soit atteint. Selon un mode particulier de réalisation, on calcule ledit couple de forces 20 de serrage limite ( CS1) durant le serrage en multipliant en outre le produit de ladite tension axiale donnée ( F' ) par la fraction dudit couple de forces intermédiaire et dudit effort axial déterminé ( Op, / Fp,r ), par un coefficient de structure d'élément élastique y compris entre 0.9 et 1. Ce mode de réalisation est notamment adapté lorsqu'un équipement de freinage de l'écrou est installé 25 pour éviter le desserrage. De plus, on choisit préférentiellement un élément élastique déformable apte à transmettre un effort axial (Fp,r) inférieur à ladite tension axiale donnée (Fv) de ladite tige filetée, de façon à ce que l'élément élastique se déforme prioritairement durant le serrage et avec une plus grande amplitude que la tige. 30 Et plus précisément, il est avantageux pour la précision de détermination du couple intermédiaire, que l'essentielle de l'amplitude de déformation de la tige n'intervienne qu'après la déformation maximale de l'élément élastique.
Selon un second aspect, la présente invention concerne un dispositif de serrage d'un ensemble vissé, ledit ensemble vissé comprenant un assemblage présentant deux surfaces d'appui opposées et un système vis/écrou comportant une tige filetée traversant ledit assemblage et présentant deux extrémités opposées débouchant respectivement dans lesdites deux surfaces d'appui et un écrou vissé à l'une desdites extrémités de ladite tige filetée tandis que l'autre desdites extrémités est équipée d'un moyen de retenue, ledit dispositif de serrage comprenant des moyens d'entraînement destiné à entraîner en rotation ledit écrou par rapport à ladite tige filetée de façon que ledit écrou puisse io prendre appui à force contre l'une desdites surfaces d'appui, et des moyens de mesure pour mesurer un couple de forces de serrage dudit écrou par rapport à ladite tige filetée et pour pouvoir atteindre une valeur de couple limite correspondant à une tension axiale donnée de ladite tige filetée durant l'entraînement en rotation. Selon l'invention, le dispositif comprend en outre 15 : une rondelle élastique déformable déterminée destinée à équiper ledit système vis écrou et à venir prendre appui contre l'une desdites surfaces d'appui, ladite rondelle élastique étant destinée à être déformée lorsqu'on entraîne en rotation ledit écrou par rapport à ladite tige filetée de manière à pouvoir transmettre un effort axial déterminé à ladite tige filetée ; des moyens 20 d'enregistrement pour pouvoir enregistrer simultanément, l'amplitude de l'angle de rotation dudit écrou par rapport à ladite tige filetée et la mesure dudit couple de forces de serrage, de manière à déterminer un couple de forces intermédiaire correspondant audit effort axial déterminé ; et des moyens de calcul pour calculer ledit couple de forces de serrage limite durant le serrage en 25 multipliant ladite tension axiale donnée par la fraction dudit couple de forces intermédiaire et dudit effort axial déterminé. Ainsi qu'on l'expliquera ci-après, un tel dispositif permet de mettre en oeuvre la méthode précitée. Avantageusement, l'élément élastique est une rondelle élastique du type 30 rondelle ressort, de forme générale tronconique. Ces rondelles élastiques sont obtenues à un coût avantageux et leurs caractéristiques sont parfaitement déterminées en fonction du matériau utilisé et de leurs dimensions. D'autres types de rondelle élastique peuvent très bien être utilisés.
D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après d'un mode de réalisation particulier de l'invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la Figure 1 est une vue schématique en demi-coupe axiale d'un ensemble vissé incluant un élément du dispositif de serrage conforme à l'invention ; - la Figure 2 est une vue schématique de détail de l'élément du dispositif de serrage illustré sur la Figure 1; io - la Figure 3 est une vue schématique d'ensemble incluant un autre élément du dispositif de serrage conforme à l'invention ; et, - la Figure 4 est un graphique illustrant une étape de la méthode de serrage conforme à l'invention. La Figure 1 illustre un ensemble vissé 10 comprenant un assemblage de 15 deux éléments, un élément épais 12 et un élément mince 14 au moyen d'un boulon 16. Les deux éléments 12, 14 présentent un orifice 18 et sont séparés par une entretoise 20. Ils présentent en outre deux surfaces d'appui opposées, une première surface d'appui 22 sur l'élément épais 12 et une seconde surface d'appui 24 sur l'élément mince 14. Quant au boulon 16 il comprend une tige 26 20 d'axe de symétrie A débouchant dans les surfaces d'appui 22, 24, et présentant une première extrémité équipée d'une tête 28 et une seconde extrémité filetée 30 munie d'un écrou 32. Entre la tête 28, formant moyens de retenue, et la première surface d'appui 22, est installée coaxialement une rondelle élastique 34, tandis qu'à l'opposé entre l'écrou 32 et la seconde surface d'appui 24 est 25 montée une rondelle plate 36. La seconde extrémité filetée 30 est ici montée vissée à travers l'écrou 32, avec une tension axiale quasi nulle dans la tige 26. La rondelle élastique 34 que l'on va décrire ci-après est alors dans un état de repos. Elle présente, près de son axe de symétrie A, un bord interne 38 en appui sous la tête 28 et écarté de son axe de symétrie A, un bord externe 40 en 30 appui contre la première surface d'appui 22. On se reportera sur la Figure 2, montrant en détail la rondelle élastique 34, également dénommée rondelle ressort ou encore rondelle « Belleville ». On retrouve son bord interne 38 et son bord externe 40 écarté radialement. Elle est de forme générale tronconique, et elle est déformable élastiquement sous charge selon une direction axiale, jusqu'à l'aplatissement. La déformation élastique de ces rondelles est pratiquement linéaire avec la charge. En outre, leur force de rappel élastique, dans un état aplati, est pour une rondelle élastique donnée, parfaitement définie. Ainsi, elle génère dans cet état, un effort axial déterminé Fp,r. On observera qu'il existe d'autres types d'élément élastique, par exemple des rondelles ondulées deux ondes, qui peuvent également être utilisées. On se reportera sur la Figure 3, montrant d'une part en vue axiale selon la io flèche III portée sur la Figure 1, l'écrou 32 et la seconde extrémité filetée 30 qui le traverse, et d'autre part un élément essentiel d'un dispositif de serrage conforme à l'invention, formé ici, essentiellement d'une clé dynamométrique perfectionnée 42. Le dispositif de serrage selon l'invention, comprend à la fois la rondelle élastique 34 déterminée avec ses caractéristiques mécaniques 15 propres et la clé dynamométrique perfectionnée 42. Celle-ci, tout comme une clé plate classique, comporte un bras de levier 44 et une mâchoire 46 adaptée à venir en prise sur l'écrou 32. En outre, elle inclut dans son épaisseur, près de la mâchoire 46, une jauge de contrainte 48 constituant des moyens de mesure du couple de forces de serrage de l'écrou 32 et représentée en traits 20 interrompus. Elle comprend également un capteur de position angulaire par rapport à la seconde extrémité de la tige filetée 30 et il n'est pas représenté. Aussi, le bras de levier 44 constitue des moyens d'entraînement permettant d'entraîner en rotation l'écrou 32 par rapport à la seconde extrémité de la tige filetée 30. Par ailleurs, la clé dynamométrique perfectionnée 42 comporte des 25 moyens d'enregistrement 50 ou mémoire, reliés à la jauge de contrainte 38 et au capteur de position angulaire, permettant d'enregistrer simultanément l'amplitude de l'angle de rotation de l'écrou 32 par rapport à la seconde extrémité de la tige filetée 30 et la mesure du couple de forces de serrage de l'écrou 32. Elle comprend également des premiers moyens d'affichage 52 30 directement reliés à la jauge de contrainte 48 pour afficher le couple de forces de serrage en temps réel. Elle comporte aussi des moyens de calcul 54 gérés par un programme d'ordinateur et reliés d'une part aux moyens d'enregistrement 50 et d'autre part à des seconds moyens d'affichage 56.
Avantageusement, les moyens d'enregistrement 50 et les moyens de calcul 54 sont rassemblés dans un microcontrôleur. Par ailleurs, on observera que les caractéristiques de l'élément élastique 34, et plus précisément la valeur de l'effort axial déterminé For apte à être restitué lorsqu'il est aplati, est chargée dans les moyens d'enregistrement 50 afin d'être réutilisée par les moyens de calcul 54 pour le calcul d'un couple de serrage. On va maintenant décrire en référence à la Figure 4 et alternativement aux Figures 1 et 3, la méthode de serrage objet de l'invention. La méthode de serrage vise à obtenir une tension axiale déterminée F' dans la tige 26, et ce io avec la plus grande précision possible. La valeur de cette tension axiale déterminée F' est alors chargée dans les moyens d'enregistrement 50 pour ensuite être prise en compte, comme on l'expliquera ci-après, par les moyens de calcul 54. L'écrou 32 et l'extrémité de la tige filetée 30 représentés sur la Figure 3 15 correspondent à ceux de la Figure 1, où la rondelle élastique 34 est au repos. Le bras de levier 44 de la clé dynamométrique perfectionnée 42 représentée sur la Figure 3 est alors entraîné en rotation dans le sens des aiguilles d'une montre selon la flèche H. On enregistre alors simultanément dans les moyens d'enregistrement 50, l'amplitude de l'angle de rotation a de l'écrou 32 par 20 rapport à la seconde extrémité de la tige filetée 30 donnée par le capteur de position et la mesure du couple de forces de serrage Cs correspondant. Durant cette première phase de serrage, la rondelle élastique 34 se déforme élastiquement et tend à s'aplatir. L'accroissement du couple de serrage est alors linéaire avec l'accroissement de l'angle de rotation a, et la courbe y 25 relative représentée sur la Figure 4, est une première portion de droite 58 de pente a, correspondant à la raideur de la rondelle élastique 34. Lorsque la rotation du bras de levier 44 se poursuit et que la rondelle élastique 34 est plaquée contre la première surface d'appui 22 et aplatie entre cette dernière et la tête 28, c'est alors la tige 26 qui se déforme et s'étire 30 longitudinalement de manière élastique également. En revanche, le coefficient de raideur de la tige est supérieur à celui de la rondelle élastique 34, aussi, la courbe y relative représentée également sur la Figure 4 est une seconde portion de droite 60 d'une pente a' supérieure à la pente a. Entre les deux, la rondelle élastique 34 tend à s'aplatir tandis que la tige 26 tend à être sollicitée uniquement par le rapprochement de la tête 28 et de l'écrou 32. Par conséquent, les mesures d'angle et de couples de forces ont des composantes mixtes, et la courbe s'incurve. Aussi, la valeur théorique du couple de forces intermédiaire Cp, où la tension axiale dans la tige 26 est égale à l'effort axial déterminé For généré par la rondelle élastique 34 lorsqu'elle est plaquée, est déterminée par les coordonnées de l'intersection des deux portions de droite 58, 60. Durant le serrage, et la rotation du bras de levier 44, les enregistrements io des amplitudes d'angle et des mesures de couple de forces, stockés dans les moyens d'enregistrement 50 sont utilisés par les moyens de calcul 54 afin de déterminer, par exemple par la méthode des moindres carrés, tout d'abord les paramètres de la première portion de droite 58, puis dès qu'ils le peuvent, ceux de la seconde portion de droite 60. On comprend en effet, qu'après la zone de 15 transition, lorsque la rondelle élastique 34 est plaquée et que la tige 26 est étirée, il est nécessaire d'accumuler un certain nombre d'enregistrements d'amplitude d'angle de mesure et de couple de forces pour retrouver un profil de courbe linéaire. Aussi, lorsque les paramètres de la seconde portion de droite 60 sont déterminés, les moyens de calcul 54 procèdent alors, tout 20 d'abord au calcul théorique du point d'intersection entre les portions de droite 58, 60 et déterminent le couple de forces intermédiaire Cp,, ou couple de placage. Ensuite, les moyens de calcul 54 procèdent au calcul du couple de forces de serrage limite Cs1, en multipliant la tension axiale donnée F, , stockée dans les moyens d'enregistrement 50, par la fraction du couple de forces 25 intermédiaire et de l'effort axial déterminé, également stocké dans les moyens d'enregistrement 50 : Cp, / Fp,r. On considère alors que la tension axiale de la tige 26 est une fonction linéaire du couple de forces appliqué à l'écrou 32. Ce couple de forces de serrage limite Cs1 est alors affiché sur les seconds moyens d'affichage 56 et peut alors être comparé en temps réel au couple de 30 forces de serrage instantané affiché sur les premiers moyens d'affichage 52. En conséquence, l'entraînement en rotation du bras de levier 44 est stoppé dès que les valeurs de couple de forces affichées sur les premiers et seconds moyens d'affichage 52, 56 sont identiques. Bien évidemment, des moyens plus sophistiqués peuvent être installés sur la clé dynamométrique 42 pour permettre de générer un signal sonore dès lors que le couple de forces de serrage limite Cs, est franchi. Par exemple, on souhaite obtenir un ensemble vissé dont la tension axiale F' dans la tige filetée est égale à 1400 N. L'effort axial de placage de la rondelle élastique Fp,r, qui est déterminé, est de 700 N. Durant le serrage, la détermination des coordonnées de l'intersection des portions de droite fournit un couple de forces intermédiaire Cp, de 10 N.m, tandis que le mouvement angulaire a de la clé dynamométrique 42, est par exemple de 10°. Aussi, le io couple de forces de serrage limite Cs1 s'établit à 20 N.m. Après serrage, l'angle a est par exemple de 15°. Par ailleurs, dans certaines circonstances, non représentée, l'écrou est équipé de moyens de freinage pour pallier son desserrage. Lorsque ces moyens de freinage sont installés sur l'écrou, durant le serrage la méthode 15 décrite ci-dessus doit être corrigée. Cette correction consiste à introduire dans le calcul du couple de forces de serrage limite Cs1, un coefficient de structure d'élément élastique y compris entre 0.8 et 1, par exemple entre 0,9 et 1. On observera que la rondelle élastique 34 qui est monté entre la tête 28 et la première surface d'appui 22, peut être installée entre l'écrou 32 et la seconde 20 surface d'appui 24 à la place de la rondelle plate 36. On notera que cette dernière ne joue aucun rôle il n'a aucun impact dans la méthode de serrage mais permet simplement de répartir les appuis de l'écrou. 25