Force de précharge : Définition, formule et calcul

La force de précharge est la force avec laquelle une vis est étirée de manière élastique lors du serrage afin de comprimer les pièces assemblées. Elle est essentielle pour la sécurité de fonctionnement, la durabilité et la résistance à la charge d'un assemblage vissé. Une force de précharge correctement réglée empêche le desserrage, le glissement ou la rupture par fatigue de l'assemblage – en particulier pour les composants soumis à des contraintes dynamiques dans la construction mécanique, la construction d'installations et la charpente métallique.

Force de précharge – Définition et importance

Par force de précharge (symbole FV), on entend la force de traction dans la vis qui est générée lors du serrage par le couple de serrage appliqué. La vis subit alors un allongement élastique, tandis que les pièces assemblées subissent une compression élastique.

De la force de précharge découle la force de serrage, avec laquelle les pièces sont pressées l'une contre l'autre. Tant que les forces extérieures de service ou transversales restent inférieures à cette force de serrage, l'assemblage reste fermé et sans jeu.

Force de précharge, force de serrage et charge extérieure

Il est important de distinguer les concepts :

• Force de précharge : Force de traction dans la vis après le montage
• Force de serrage : Force de compression entre les pièces assemblées

Sous l'effet d'une charge extérieure (par ex. traction ou vibration), la force de serrage diminue tandis que la contrainte sur la vis augmente. Ce n'est que lorsque la force extérieure devient supérieure à la force de serrage existante que l'assemblage s'ouvre partiellement ou totalement.

Force de précharge – Formule et relation physique

La force de précharge est générée par le couple de serrage MA. La relation peut être décrite de manière simplifiée comme suit :

MA = FV × ( p / 2π + μG × d2 / 2 + μK × DK / 2 )

Avec :

• MA = Couple de serrage
• FV = Force de précharge
• p = Pas du filetage
• μG = Coefficient de frottement dans le filetage
• μK = Coefficient de frottement sous la tête de vis ou l'écrou
• d2, DK = Diamètres effectifs

Remarque : Cette équation constitue une approximation et sert à la compréhension fondamentale. Pour le dimensionnement sûr des assemblages vissés hautement sollicités, on utilise dans la pratique la norme VDI 2230, qui modélise en détail le système vis-composant.

Une grande partie du couple de serrage – typiquement 80 à 90 % – est absorbed par le frottement dans le filetage et sous la tête de vis. Seule une part relativement faible contribue directement à la création de la force de précharge. C'est pourquoi les variations du coefficient de frottement (par ex. dues au revêtement ou à la lubrification) ont une influence considérable sur le résultat du montage.

Facteurs d'influence sur la force de précharge

La force de précharge réellement atteinte dépend de nombreux facteurs :

• Couple de serrage et précision de l'outil
• Coefficients de frottement dans le filetage et sous la tête (matériau, revêtement, lubrification)
• Rugosité de surface des composants
• Comportement de tassement de l'assemblage
• Propriétés du matériau et classe de résistance de la vis
• Utilisation de systèmes de freinage comme des écrous ou des rondelles

Les rondelles Nord-Lock n'influencent pas le niveau de la force de précharge, mais servent à sécuriser et maintenir la force de précharge sous charge dynamique.

Force de précharge optimale – Plages cibles typiques

La force de précharge optimale est choisie de manière à ce que :

• aucun allongement plastique de la vis ne se produise
• une force de serrage suffisante pour le fonctionnement soit présente
• les pertes par tassement soient prises en compte

Dans la pratique, la plage cible se situe souvent entre 65 et 75 % de la limite d'élasticité de la vis. Des valeurs plus élevées jusqu'à environ 80 % sont possibles, mais nécessitent un montage très contrôlé et un concept de sécurité adapté. La définition exacte est généralement effectuée selon la norme VDI 2230.

Mesure et contrôle de la force de précharge

La force de précharge peut être contrôlée de différentes manières :

• Indirectement via le couple de serrage, par ex. avec des clés dynamométriques ou des bancs d'essai
• Directement avec des vis instrumentées, des jauges de contrainte ou des procédés par ultrasons
• Via l'allongement de la longueur de la vis (déformation élastique)

Dans les applications critiques pour la sécurité – comme pour les vis à embase ou dans la construction métallique –, la force de précharge est fréquemment documentée ou surveillée.

Exemple pratique : Force de précharge d'une vis M12

Une vis à tête hexagonale M12 de classe de résistance 10.9 possède une limite d'élasticité d'environ 900 N/mm². La section de tension effective As est d'environ 84,3 mm².

La force théorique à la limite d'élasticité est de :

FS ≈ 900 N/mm² × 84,3 mm² ≈ 75 kN

Si l'on choisit une force de précharge d'environ 60 à 70 % de cette force, on obtient une valeur cible d'environ 45 à 52 kN. Le couple de serrage correspondant se situe – selon les coefficients de frottement – typiquement dans une plage d'environ 80 à 100 Nm.

Applications de la force de précharge

La force de précharge est un principe de conception central de presque tous les assemblages vissés techniques, par ex. dans :

• la construction de machines et d'installations (carters de roulements, moteurs, pompes)
• la charpente métallique (assemblages de poutres, de plaques et de brides)
• l'automobile (roues, essieux, châssis)
• la technique de fixation avec des vis à tête hexagonale, des rondelles ou des rondelles élastiques

La force de précharge expliquée simplement

La force de précharge est la force de traction générée dans la vis lors du serrage. Elle maintient fermement les pièces ensemble et veille à ce que l'assemblage reste sûr, sans jeu et durablement stable, même sous charge – un principe fondamental de la technique de vissage professionnelle.