Une valeur de couple suppose un état de frottement

La question, posée quatre-vingt mille fois

« Graisser les vis de roue ou pas ? » (traduction) a été lu plus de 82 000 fois sur Mechanics Stack Exchange, et les réponses se partagent. Un camp dit jamais ; l’autre dit qu’un film léger évite le grippage. Les deux camps se disputent sur la mauvaise question, car le désaccord découle d’une valeur que personne n’examine : la valeur de couple elle-même.

Ce que le couple achète

Le couple remplit trois fonctions à la fois, et seule la première est celle que l’on veut :

T = F · [ nP/(2π)  +  μ_t·d₂/(2·cos 30°)  +  μ_n·r_n ]

Le premier terme fait monter le filet et produit l’effort de serrage. Les deux autres sont du frottement – sur les flancs du filetage et sous la tête ou la face de l’écrou –, et ils sont dépensés, pas stockés. C’est la même relation que la VDI 2230 donne sous la forme M_A = F_M(0.16P + 0.58μ_Gd₂ + μ_KD_Km/2).

Faites maintenant passer une M8×1,25 deux fois dans cette relation, en ne changeant que le frottement :

Soixante-dix pour cent d’effort de serrage en plus, pour le même déclic de la même clé. La forme simplifiée donne le même tableau : les recommandations de conception de la NASA citent un facteur d’écrou d’environ 0,20 à sec contre 0,11–0,15 lubrifié, soit à lui seul un écart de 33 % à 82 %.

Que dit donc réellement le constructeur

Pour les voitures particulières ordinaires, la position est cohérente chez les constructeurs que nous avons vérifiés, et ce n’est pas du folklore :

• Toyota interdit la graisse sur les vis et écrous de roue, en invoquant le serrage excessif et l’endommagement de la vis ou de la roue.
• La procédure d’atelier de BMW le dit sans détour : ne pas huiler les vis de roue. Les vis corrodées sont remplacées, pas lubrifiées.
• SEAT exige que les vis et les filetages soient propres et exempts d’huile et de graisse.

Notez ce que ce n’est pas. Ce n’est pas une règle universelle édictée par une norme – la SAE J2316 renvoie explicitement à la spécification du constructeur du véhicule au lieu de fixer un couple à sec unique pour tous. C’est un ensemble de prescriptions étalonnées chacune à sec, et un avertissement de ne pas quitter l’état pour lequel elles ont été étalonnées.

C’est pourquoi les exceptions existent, et elles existent

Si « ne jamais lubrifier » était une loi physique, il n’y aurait pas de contre-exemples. Il y en a.

• Les camions moyens Chevrolet prescrivent deux gouttes d’huile SAE 30 sur les filets en bout de goujon et à l’interface entre l’écrou et la rondelle flottante – et la valeur de couple de 610–678 N·m correspond à cet état lubrifié.
• Les écrous plats en deux pièces du Ford E-Series reçoivent une goutte d’huile entre le corps de l’écrou et la rondelle flottante, tandis que les filets de l’écrou et du goujon doivent explicitement rester secs.
• BMW graisse la surface de centrage de la roue tout en gardant les vis sèches ; Bentley n’autorise pas plus de 0,25 cm³ de graisse au cuivre sur le diamètre de centrage et exige expressément qu’elle reste hors de la face d’appui.

Lus ensemble, ces exemples font apparaître la règle sous sa forme correcte : lubrifier exactement là où la spécification le dit, car la valeur de couple a été étalonnée avec cette lubrification. Les deux derniers sont le cas le plus net – de la graisse sur une surface, du sec sur une autre, à quelques millimètres d’écart, parce qu’une seule des deux se trouve sur le chemin du couple.

Ce qui tourne réellement mal, formulé avec prudence

Une surtension due à une lubrification involontaire peut nuire de plus d’une façon, et nous ne devons pas prétendre savoir laquelle survient en premier.

• Le goujon plastifie, ou l’assise s’écrase. Ce sont des états limites parallèles, pas une séquence. Lequel survient en premier dépend de la résistance du goujon, de la géométrie de l’assise et du matériau de la roue. La SAE J2315 existe précisément pour spécifier la résistance de l’assise d’écrou de roue, ce qui montre que l’assise est une limite de conception indépendante et non un détail. L’avertissement de Toyota lui-même cite côte à côte l’endommagement de la vis et celui de la roue.
• La fatigue suit. Un allongement permanent, une assise endommagée ou la relaxation par écrasement des surfaces de contact modifient tous l’effort de serrage résiduel, donc la contrainte cyclique. Des travaux publiés par éléments finis sur des roues en aluminium moulé montrent que l’effort de serrage déplace la contrainte moyenne, l’emplacement critique et la durée de vie prévue.

Et une affirmation que nous ne ferons pas. « L’huile les fait se desserrer en roulant » (traduction) ne découle pas de la relation couple-tension : un couple de desserrage plus faible signifie un frottement plus faible, ce qui n’est pas la même chose qu’un desserrage spontané. Toyota avertit bien que la graisse peut provoquer le desserrage des écrous, mais nous n’avons trouvé aucune base expérimentale pour placer ce mécanisme avant les autres, et les travaux du NTSB sur les pertes de roue ont relevé des serrages à la fois insuffisants et excessifs, attribuant les ruptures de goujons à la fatigue après un serrage incorrect plutôt qu’à la lubrification agissant seule.

La forme générale

Une condition mérite d’être nommée explicitement : le frottement peut changer en entrepôt. Des vis à revêtement lamellaire de zinc serrées à la sortie d’un stockage au froid ont demandé 11 % à 30 % de couple en moins pour le même effort de serrage.

Rien de tout cela ne concerne vraiment les roues. Une valeur de couple porte un étalonnage couple-tension pour un état de surface particulier, et tout ce qui modifie cet état – huile, autre revêtement, corrosion, ou simplement le nettoyage de ce qui s’y trouvait – vous fait sortir de l’étalonnage alors que la valeur sur le plan reste la même.

Cela vaut dans les deux sens, et c’est ce qu’il faut retenir. Certaines spécifications exigent délibérément une lubrification, parce qu’elle réduit le couple nécessaire et, surtout, la dispersion de la précharge réellement obtenue. Le frottement n’est pas l’ennemi. Le frottement non consigné l’est.

Il vaut aussi la peine de vérifier d’où vient au départ la valeur inscrite sur le plan : dans un tableau de couples classé par classe de qualité, les deux valeurs pour un même filetage diffèrent du rapport des classes et de rien d’autre.

Ce que le pilotage au couple peut et ne peut pas fournir est traité dans couple et effort de serrage ; l’ordre dans lequel on ajoute quoi que ce soit à un assemblage validé, dans revalider un changement de vis ; et la place du montage parmi les autres décisions, dans spécifier une vis (en anglais).

Références

• VDI 2230 partie 1 – relation du couple de serrage, éq. 5.4/17–5.4/20
• ISO 16047 – Éléments de fixation : essais couple/effort de serrage (facteur d’écrou valable uniquement pour des conditions de frottement identiques ; revêtement et lubrifiant à consigner)
• NASA TM-106943 – Preloaded Joint Analysis Methodology (facteur d’écrou d’environ 0,20 à sec, 0,11–0,15 lubrifié)
• NASA RP-1228 – Fastener Design Manual, couple de serrage des éléments de fixation
• NASA-STD-5020B – exige des paramètres de pose issus d’essais plutôt que des facteurs fixes
• SAE J2315 – résistance de l’assise d’écrou de roue ; SAE J2316 – systèmes de fixation de roue pour le marché de l’après-vente
• Instructions des constructeurs : Toyota, procédure d’atelier BMW 36 10 300, SEAT, Chevrolet camions moyens, Ford E-Series, bulletin technique Bentley
• « Graisser les vis de roue ou pas ? » (titre de la question, traduction), Mechanics Stack Exchange

Cette page explique une relation et cite des instructions de constructeurs pour l’illustrer. Pour un véhicule ou un assemblage réel, le document qui fait foi est la spécification de ce constructeur, pas cette page.

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

De combien l’huile modifie-t-elle l’effort de serrage à couple égal ?

Pour une M8x1,25 dont le coefficient de frottement passe de 0,15 à 0,08, le même couple donne 1,70 fois la précharge, soit environ 70 % de plus. Avec le facteur d’écrou simplifié, les recommandations de conception de la NASA citent environ 0,20 à sec contre 0,11 à 0,15 lubrifié, soit une hausse de 33 % à 82 %. Il n’existe pas de valeur universelle unique, car elle dépend des conditions de frottement comparées.

Faut-il graisser les vis de roue ?

Pour les voitures particulières ordinaires, les constructeurs que nous avons vérifiés disent non. Toyota interdit la graisse sur les vis et écrous de roue, en invoquant le serrage excessif et l’endommagement de la vis ou de la roue. La procédure d’atelier BMW indique de ne pas huiler les vis de roue. SEAT exige des filetages propres et exempts d’huile et de graisse. Le document qui fait foi est la spécification du constructeur de votre véhicule, pas une règle générale.

Existe-t-il des cas où la lubrification est prescrite ?

Oui, et ils sont instructifs. Les camions moyens Chevrolet prescrivent deux gouttes d’huile SAE 30 sur les filets en bout de goujon et à l’interface écrou-rondelle, la valeur de couple correspondant à cet état lubrifié. Les écrous en deux pièces du Ford E-Series reçoivent une goutte d’huile entre le corps de l’écrou et la rondelle flottante, les filets devant rester secs. BMW graisse la surface de centrage de la roue mais pas les vis. La règle est de lubrifier exactement là où la spécification le dit, car le couple a été étalonné avec cette lubrification.

Qu’est-ce qui cède réellement si les vis sont surtendues ?

La plastification du goujon et l’écrasement de l’assise sont des états limites parallèles et non une séquence ; lequel survient en premier dépend de la résistance du goujon, de la géométrie de l’assise et du matériau de la roue. La SAE J2315 spécifie la résistance de l’assise d’écrou de roue comme limite de conception indépendante. La fatigue suit dans les deux cas : un allongement permanent, une assise endommagée ou la relaxation par écrasement des surfaces modifient l’effort de serrage résiduel et la contrainte cyclique.

La graisse fait-elle se desserrer les écrous de roue en roulant ?

Cela ne découle pas de la relation couple-tension. Un couple de desserrage plus faible signifie un frottement plus faible, ce qui n’est pas la même chose qu’un desserrage spontané. Toyota avertit bien que la graisse peut provoquer le desserrage des écrous, mais nous n’avons trouvé aucune base expérimentale pour placer ce mécanisme avant la surtension et l’endommagement de l’assise, et les travaux du NTSB sur les pertes de roue ont relevé des serrages à la fois insuffisants et excessifs, attribuant les ruptures de goujons à la fatigue après un serrage incorrect.