Taille du filetage des boulons de rail, précharge et correspondance de couple

Pourquoi la taille du filetage définit le plafond de précharge

La précharge est la tension que le boulon supporte après le serrage, et c'est ce qui serre réellement l'éclisse ou l'épaulement du clip. La précharge maximale utilisable est limitée par la zone de contrainte de la section filetée, qui croît à peu près avec le carré du diamètre. Un boulon M16 a une zone de contrainte d'environ 157 mm2 ; un boulon M36 a une zone de contrainte d'environ 817 mm2, soit environ 5,2 fois plus grande, donc avec la même utilisation de sa résistance à l'épreuve, le M36 peut supporter environ cinq fois la précharge du M16. En chiffres ronds pour le service de fixation de rails, un boulon M16 de grade 8.8 est serré à une précharge de l'ordre de 60 à 80 kN, tandis qu'un boulon M36 de grade 10.9 peut être serré jusqu'à 450 kN. Le saut entre les tailles adjacentes est substantiel : passer de M16 à M20 puis de M24 à M30 augmente la précharge disponible de 50 à 70 % à chaque étape, c'est pourquoi les joints d'éclisse de transport lourd-se déplacent vers M24 et plus dès que la charge l'exige.

Le couple n'est qu'un moyen de précharger

Dans les travaux sur piste, l'installateur ne peut pas mesurer directement la tension des boulons, le couple est donc utilisé comme indicateur pratique. La relation entre le couple et la précharge est régie par le pas du filetage, le frottement du filetage et le frottement de la tête, résumés dans l'équation de couple classique utilisée par VDI 2230 : une règle générale pour les boulons en acier avec lubrification normale est que seulement 10 à 15 % environ du couple appliqué devient une précharge, et le reste est consommé par le frottement. Étant donné que le frottement varie en fonction du revêtement, de la lubrification et de l'état de la surface, le même couple peut produire différentes précharges sur différents boulons ; c'est pourquoi les valeurs de référence de couple sont toujours indiquées pour un état de frottement défini et pourquoi l'effet du traitement de surface doit être pris en compte.

Pour les-boulons galvanisés à chaud, le coefficient de frottement du filetage est sensiblement différent de celui des boulons-huilés noirs, de sorte que le couple de serrage doit être re-dérivé pour l'état réel de revêtement et de lubrification plutôt que copié à partir d'un tableau général. En pratique, les organismes d'ingénierie définissent le couple d'installation par calibrage sur la combinaison réelle de boulon, d'écrou, de rondelle et de revêtement, et les valeurs du tableau de référence rapide ci-dessous supposent des filetages propres et légèrement huilés.

Valeurs pratiques de référence de couple

Les valeurs suivantes sont des couples d'installation typiques pour l'éclisse de rail et les boulons de fixation aux niveaux de résistance couramment utilisés, en supposant des filetages propres et une lubrification normale ; ce sont des points de départ pour un étalonnage et ne remplacent pas la spécification de couple du projet.

Le passage de M24 à M30 double à peu près le couple et la précharge, c'est pourquoi la méthode de serrage doit changer en fonction des spécifications.

Pourquoi des clés hydrauliques sont nécessaires pour M24 et plus

Une clé dynamométrique manuelle de type clic-couramment utilisée sur piste a une plage supérieure pratique d'environ 400 N-m, ce qui est inférieur au couple de conception d'un boulon M24 de grade 10,9 entre 800 et 900 N-m et bien en dessous de la région de 1 500 N-m d'un M30. Tenter d’atteindre ces valeurs manuellement n’est ni précis ni sûr. Les clés dynamométriques hydrauliques couvrent la plage de 500 à 5 000 N-m, appliquent le couple en douceur sans choc et maintiennent la valeur cible avec une répétabilité généralement d'environ 5 %. Ils suppriment également le facteur humain : avec une clé manuelle, chaque installateur applique une force différente, et la dispersion de la précharge sur un joint en éclisse est suffisamment grande pour laisser certains boulons proches de la limite élastique et d'autres à peine serrés. Le serrage hydraulique, idéalement suivi d'un audit de couple, maintient la dispersion de précharge faible et le comportement du joint prévisible.

Qu'est-ce qui ne va pas lorsque le filetage et le couple ne correspondent pas

Le serrage excessif-d'un petit boulon est l'erreur d'installation classique. Le boulon cède dans la section filetée, l'allongement permanent signifie que la précharge ne peut pas être maintenue et, sous l'effet des vibrations de service, le joint perd sa force de serrage ; le boulon travaille alors sous l'effet de la flexion et de la fatigue et finit par se fracturer, généralement au niveau du premier filetage engagé. Sous-serrage, un gros boulon laisse le joint lâche dès le départ : l'espace en éclisse s'ouvre et se ferme sous chaque roue, le boulon voit une alternance de cisaillement et de flexion, les extrémités du rail se battent et la géométrie du joint se détériore. Un joint ainsi lâche nécessite des heures de maintenance disproportionnées par rapport à sa longueur et est une source connue de défauts d'extrémité de rail. La solution technique est toujours la même : sélectionnez la taille du filetage de manière à ce que la précharge requise soit confortablement comprise dans la capacité du boulon, et réglez le couple de manière à ce que la précharge soit obtenue sans dépasser environ 80 à 90 % de la limite d'élasticité.

Fils longs et stabilité de la précharge sur les lignes de transport lourd-

Sur les joints à traction lourde-, la longueur du filetage engagé est également importante. Un engagement de filetage plus long augmente le nombre de filetages chargés, répartit la charge plus uniformément, réduit la concentration de contraintes au niveau du premier filetage et abaisse la contrainte de cisaillement par unité de longueur engagée. Les boulons dotés de sections filetées plus longues tolèrent également une contrainte plus élastique, ce qui aide le joint à maintenir la précharge malgré les cycles de température et les impacts répétés. C'est la raison technique pour laquelle les boulons d'éclisse de transport lourd-sont spécifiés avec des longueurs de filetage plus longues et pourquoi la substitution par un boulon automobile à filetage court-n'est jamais acceptable en service sur piste.

FAQ

Pourquoi la précharge est-elle plus importante que le couple lui-même ?

Parce que la précharge est la force de serrage réelle qui maintient le joint serré et les composants en mouvement ; le couple n'est qu'un moyen pratique de produire une précharge, et le même couple peut donner différentes précharges dans différentes conditions de frottement.

Quel couple est requis pour un boulon de rail M24 de qualité 10,9 ?

Le couple d'installation typique est compris entre 800 et 900 N-m avec une lubrification normale, ce qui produit une précharge d'environ 160 à 200 kN ; la valeur doit être calibrée pour le revêtement et le lubrifiant réels.

Une clé dynamométrique manuelle peut-elle serrer correctement les boulons M30 ?

Non. Le couple de conception d'un boulon M30 de qualité 10,9 est d'environ 1 500 N-m et plus, bien au-delà de la plage pratique des clés à clic manuelles- ; une clé dynamométrique hydraulique est requise.

Pourquoi les boulons galvanisés nécessitent-ils des valeurs de couple différentes ?

Parce que la couche de zinc modifie le coefficient de frottement du filetage, et donc la fraction de couple qui se convertit en précharge ; le couple de serrage doit être calculé à nouveau-en fonction de l'état de la surface galvanisée, généralement avec les filetages lubrifiés.

Que se passe-t-il si un boulon est serré au-delà de son rendement ?

Le boulon s'étire de manière permanente, la précharge se détend en dessous de la valeur de conception et, sous l'effet des vibrations, le joint se desserre ; le boulon subit alors des cycles de fatigue en flexion et échoue généralement au niveau de la racine du filetage.

Comment la précharge correcte est-elle vérifiée sur place ?

Avec un audit de couple à l'aide d'une clé calibrée, en mesurant l'angle de braquage supplémentaire, ou avec un indicateur de tension direct tel qu'une rondelle indicatrice de charge ; le critère d'acceptation est une précharge dans la bande spécifiée, pas simplement la lecture de la clé.