Ce ressort transforme un problème de couple en problème de longueur

La remarque est juste, et c’est tout le modèle

Une vis est un élément élastique. Le serrage l’allonge, et l’effort de serrage est cet allongement multiplié par sa raideur. Ce qui décide du comportement de l’assemblage ensuite, ce n’est pas la vis seule mais le rapport entre la raideur de la vis et celle des pièces serrées ; c’est le sujet de La vis est un ressort.

La première conséquence que l’on rencontre est qu’une vis raide dans un assemblage raide est intolérante aux petites variations de longueur. Un tassement de quelques microns, une variation de température sur deux matériaux aux coefficients de dilatation différents, une chaîne de cotes sortie du mauvais côté : chacun est un déplacement minuscule, et dans un assemblage raide un déplacement minuscule est une grande variation de charge. Ce que la température fait à elle seule est traité dans La température déplace la précharge.

Ce que la mise en butée apporte réellement

La réponse selon laquelle ces vis se serrent jusqu’à ce qu’elles s’arrêtent décrivait le vrai mécanisme, et il vaut la peine de l’énoncer clairement. Une fois la vis arrivée en butée franche, tout couple supplémentaire part dans la butée, pas dans le ressort. Le ressort a été comprimé d’une distance fixe imposée par la géométrie, et l’effort qu’il fournit est cette distance multipliée par sa raideur.

La charge ne dépend donc plus de la force avec laquelle quelqu’un a tourné le tournevis, ni du frottement dans le filetage, ni du fait que les filets étaient huilés ou humides. Ce sont précisément les variables qui rendent une valeur de couple peu fiable, et ce qu’une spécification de couple suppose tacitement à leur sujet est expliqué dans Une spécification de couple suppose un état de frottement.

Le contrôle de la charge est passé du couple au déplacement. C’est la même famille de décisions que le serrage à l’angle et le serrage à la limite d’élasticité, qui remplacent une mesure d’effort par une mesure de rotation, sauf qu’ici c’est la géométrie qui s’en charge et que l’opérateur n’a besoin d’aucune formation.

La condition qui fait fonctionner le tout est que la butée se trouve dans le chemin de l’effort de serrage. Placez-la à l’extérieur, comme lorsqu’un écrou borgne vient buter sur un goujon trop long, et le même mécanisme donne le résultat inverse : la clé monte toujours et déclenche alors que rien n’est serré.

L’incertitude ne disparaît pas, elle change de fournisseur

C’est la partie à retenir, car il est facile de voir dans le ressort une précision gratuite. Ce n’en est pas une. La dispersion est passée d’un endroit à un autre, et le nouvel endroit a une liste de prix.

Le serrage au couple emporte l’état de frottement avec lui. La valeur de la VDI 2230 pour un serrage au couple étalonné sur l’assemblage d’origine est de ±17 à 23 %, et l’origine réelle des ±25 % plus connus est détaillée dans À quel point votre méthode de serrage maîtrise mal la précharge. Rien de tout cela n’est entre les mains du monteur, et rien n’est visible après coup.

Un ressort de compression emporte à la place sa tolérance de fabrication, et cette tolérance est une grandeur spécifiée, classable. L’EN 15800 fixe des exigences de qualité pour les ressorts de compression formés à froid et définit trois degrés de qualité, avec des écarts admissibles portant sur le diamètre d’enroulement, la longueur libre, la perpendicularité et le parallélisme, et — celui qui compte ici — l’effort du ressort à une longueur donnée. Le degré 1 est la bande de tolérance la plus étroite et coûte le plus cher ; le degré 3 est la plus large.

La même idée dans un assemblage vissé

La vis de ventirad est le cas visible, mais le même échange existe dans un assemblage vissé ordinaire, avec beaucoup moins de course, sous la forme d’une rondelle élastique conique. La DIN 6796 les couvre pour les assemblages vissés, et notre propre page sur les rondelles les mentionne sur une ligne d’un tableau de types : elles maintiennent la précharge à travers les cycles thermiques et le tassement, ce qui traite la perte de précharge plutôt que la rotation. Le reste de ce tableau, et ce que font réellement les autres types de rondelles, se trouve dans Les rondelles expliquées.

Deux choses sont à savoir avant de les traiter comme une solution générale. Un fabricant de rondelles ressorts indique que ces rondelles sont destinées exclusivement aux charges statiques dans les assemblages vissés, et que leur effort maximal correspond à 70 à 90 % de l’effort de serrage des vis de classe 8.8 et 10.9. C’est un fabricant nommé avec un chiffre, mais cela reste un fabricant qui décrit la norme : nous n’avons pas lu la DIN 6796. Lisez la seconde attentivement : un élément élastique presque à plat sous la charge de service n’a presque plus de course, il fournit donc une petite réserve élastique plutôt que le type de souplesse qu’apporte un ressort de ventirad.

Ce que cela coûte

• Hauteur et nombre de pièces. La souplesse doit se loger quelque part, et dans un ventirad c’est l’élément le plus haut de l’empilement de fixation.
• Un ressort est une pièce qui se relâche. Il a son propre comportement en température et dans le temps, et il est désormais en permanence sur le chemin de l’effort.
• La vérification change. On ne peut plus confirmer la charge avec une clé dynamométrique, car le couple après la mise en butée renseigne sur la butée. Le contrôle devient dimensionnel, ou bien il devient une confiance dans le degré de qualité du ressort.
• La butée doit être une vraie butée. Tout ce qui précède suppose que la vis atteint un épaulement franc à un endroit maîtrisé. Si elle bute dans un filetage, ou sur une surface qui cède, la géométrie qui fixait la charge s’est déplacée.

Quand y recourir

• Quand la pièce en dessous a une fenêtre de charge plutôt qu’un minimum. Trop peu, et elle ne se met pas en place ; trop, et elle est endommagée. Le contrôle au couple est un mauvais moyen d’atterrir dans une fenêtre.
• Quand la longueur serrée est trop courte pour faire un ressort utile. Quelques millimètres d’empilement ne peuvent pas absorber un écart thermique. Ajouter un élément souple est la seule souplesse disponible.
• Quand le monteur n’est pas la personne pour laquelle vous avez spécifié. Une vis qui s’arrête est une vis qu’une main pressée ne peut pas serrer au-delà de la charge de calcul.
• Pas quand l’assemblage doit transmettre un effort transversal par frottement. Ce cas demande une précharge aussi élevée que les pièces le permettent, pas une précharge maîtrisée et volontairement modeste.

Ce qui décide de la forme de la courbe de ce ressort est un rapport, et sur une rondelle ressort c’est la lettre de la référence : A, B et C sont trois formes de courbe, pas trois niveaux de taille.

Cet article ne relève pas d’une seule des six étapes : il en traverse plusieurs ou intervient après l’assemblage. Les décisions qui y conduisent sont présentées dans l’article anglais Specifying a screw.

Questions fréquentes

Pourquoi les vis de dissipateur ont-elles des ressorts ?

Parce que le boîtier en dessous doit être maintenu dans une fenêtre de charge, et que l’empilement est trop court pour que les vis elles-mêmes servent de ressort utile. Ajouter un élément souple en série permet à l’ensemble de changer un peu de longueur, par tassement, dilatation thermique ou tolérance, sans que la charge varie beaucoup. Les vis sont alors conçues pour venir en butée, si bien que la charge est fixée par la compression du ressort et non par la force avec laquelle quelqu’un a tourné le tournevis.

Un ressort est-il plus précis qu’une clé dynamométrique ?

Ce n’est pas une précision gratuite, c’est une autre source d’incertitude. Le serrage au couple emporte l’état de frottement dans le filetage et sous la tête, que personne ne peut voir ni régler après coup ; la VDI 2230 donne pour un serrage au couple étalonné sur l’assemblage d’origine plus ou moins 17 à 23 %. Un ressort emporte sa propre tolérance de fabrication, et l’EN 15800 en fait une grandeur classable en spécifiant l’écart admissible de l’effort du ressort à une longueur donnée selon trois degrés de qualité. L’incertitude devient quelque chose que l’on achète plutôt que quelque chose dont on hérite.

Pourquoi ne pas simplement utiliser des vis plus longues pour obtenir le même effet ?

C’est possible, et une réponse de la discussion d’origine disait exactement cela : une vis est déjà un ressort, simplement très raide, et des vis assez longues avec des entretoises donneraient la raideur voulue. L’obstacle est l’encombrement. Un empilement de ventirad fait quelques millimètres et il n’y a nulle part où loger la longueur supplémentaire. Là où la place existe, augmenter la longueur serrée est la réponse normale et la meilleure, car elle supprime une pièce au lieu d’en ajouter une.

Puis-je utiliser une rondelle élastique conique pour faire la même chose sur une vis ordinaire ?

C’est la même idée avec beaucoup moins de course, et c’est une intervention plus modeste. La DIN 6796 couvre les rondelles élastiques coniques pour assemblages vissés. Un fabricant de rondelles ressorts indique que ces rondelles sont destinées exclusivement aux charges statiques dans les assemblages vissés, et que leur effort maximal correspond à 70 à 90 % de l’effort de serrage des vis de classe 8.8 et 10.9. C’est un fabricant nommé avec un chiffre plutôt que le résumé plus vague que cette page donnait auparavant, mais nous n’avons toujours pas lu la DIN 6796 elle-même. La lecture pratique ne change pas : une rondelle presque à plat sous la charge de service a très peu de course restante, elle fournit donc une réserve élastique contre le tassement plutôt que la tolérance à la longueur qu’apporte un ressort de ventirad.

Comment contrôler un tel assemblage ?

Pas avec une clé dynamométrique. Une fois la vis en butée, le couple lu renseigne sur la butée et non sur la charge dans le ressort. Il reste le contrôle dimensionnel, vérifier que la vis a bien atteint l’épaulement et que le ressort est comprimé à la hauteur prévue, ou la confiance dans le degré de qualité du ressort spécifié. C’est le coût caché de l’échange : la charge est devenue répétable, et elle est aussi devenue plus difficile à confirmer sur la ligne.

Références

• EN 15800:2008 — ressorts hélicoïdaux cylindriques en fil rond, spécifications de qualité des ressorts de compression formés à froid ; source des trois degrés de qualité et de l’écart admissible de l’effort du ressort à une longueur donnée
• DIN 6796 — rondelles élastiques coniques pour assemblages vissés ; fiche catalogue, la norme n’a pas été lue
• Surisa, DIN 6796 standard — description d’un fabricant de rondelles ressorts : charges exclusivement statiques, effort maximal de 70–90 % de l’effort de serrage des vis de classe 8.8 et 10.9, C60 trempé à 420–510 HV, tableaux M3–M36
• VDI 2230 partie 1 — facteur de serrage, et le modèle du rapport de raideurs sur lequel s’appuie cette page

Les sources de cette page ne sont pas toutes du même niveau, et il vaut la peine de dire laquelle est laquelle. Le modèle du rapport de raideurs et les valeurs du facteur de serrage proviennent de nos propres pages citées plus haut, où elles ont été établies à l’époque à partir de la VDI 2230 et de la NASA RP-1228. Le contenu de l’EN 15800, à savoir qu’elle définit trois degrés de qualité et que les écarts admissibles incluent l’effort du ressort à une longueur donnée, provient du résumé de la norme et de fiches catalogue, pas d’articles que nous aurions lus ; les degrés y sont décrits qualitativement et aucun pourcentage n’est cité ici, faute d’en avoir trouvé. Les affirmations sur la DIN 6796 étaient à ce même niveau de résumé lors de la rédaction de cette page et ont depuis été renforcées : un fabricant de rondelles ressorts nommé indique que ces rondelles sont destinées exclusivement aux charges statiques et que leur effort maximal correspond à 70 à 90 % de l’effort de serrage des vis de classe 8.8 et 10.9. C’est un fabricant qui décrit la norme, pas la norme, et la DIN 6796 reste non lue ici. Une contradiction reste ouverte plutôt que tranchée : ce fabricant indique que les tableaux de la norme vont de M3 à M36, tandis qu’une fiche DIN 6796 d’un distributeur liste des dimensions à partir de M2 et M2.5. Nous n’avons lu aucun des deux documents et ne savons pas quelle plage est la bonne, ce qui compte pour ce site, car M2 et M2.5 font partie de notre gamme de production. Aucune valeur de charge pour un boîtier de processeur n’apparaît ici, car nous n’avons trouvé aucune spécification publique citable. L’EN 15800 est une norme CEN et non ISO ; elle est donc liée à une fiche catalogue plutôt qu’à iso.org ; le site ne l’avait jamais citée, il n’y avait donc pas de référence existante à reprendre.