Les connexions mécaniques sont essentielles à l’intégrité et à la performance des systèmes structurels. Ils transfèrent les charges entre les composants, garantissant stabilité et fonctionnalité. Parmi les types les plus courants figurent les connexions à broches et les connexions à boulons. Bien que les deux servent de fixations, leurs principes de conception, leurs caractéristiques de charge et leurs applications diffèrent considérablement. Cette analyse examine leur comportement sous diverses charges et fournit des conseils pour sélectionner le type de connexion le plus approprié dans la conception structurelle.
Types de connexions
Connexions des broches
Les connexions à broches utilisent une fixation cylindrique insérée dans des trous alignés, permettant une rotation ou un glissement limité. Ils résistent principalement aux forces de cisaillement, c'est-à-dire aux charges perpendiculaires à l'axe de la goupille. Les exemples courants incluent les axes de chape, les goupilles fendues et les axes coniques. Leur simplicité permet un montage et un démontage rapides, ce qui les rend idéaux pour les liaisons, charnières et joints pivotants nécessitant du mouvement.
Connexions par boulons
Les connexions boulonnées sont constituées d'une fixation filetée associée à un écrou, serrant les composants ensemble avec une précharge importante. Cette conception résiste aux charges de traction et de cisaillement. La force de serrage crée une friction entre les pièces, renforçant ainsi la résistance au cisaillement. Les joints boulonnés offrent une grande rigidité et conviennent aux assemblages permanents ou semi-permanents où des joints fixes et immobiles sont requis.
Analyse du comportement de charge
Performances de charge de cisaillement
Goupille : dans les configurations à double cisaillement, les goupilles fonctionnent efficacement. La rupture se produit lorsque la contrainte de cisaillement dépasse la limite d'élasticité du matériau. La capacité de charge dépend directement de la section transversale et de la résistance au cisaillement de la goupille.
Boulon : les boulons résistent au cisaillement soit par roulement sur la tige (semblable à une goupille), soit par friction due à la précharge. Pour les applications de cisaillement critiques, la conception met l'accent sur le roulement de tige, tandis que la précharge garantit que le joint ne glisse pas sous les charges de service.
Performances de charge de traction
Goupille : les goupilles standard ne sont pas destinées à supporter des charges de traction axiales importantes. Les forces de traction peuvent faire sortir la goupille à moins qu'elle ne soit retenue par des clips ou des goupilles, qui peuvent elles-mêmes être en cisaillement.
Boulon : les boulons sont conçus pour résister aux charges de traction. La précharge serre les pièces et les charges de traction externes réduisent initialement la force de serrage plutôt que de solliciter directement le boulon. La capacité de traction dépend de la qualité du matériau, de la conception du filetage et du diamètre.
Charges de flexion et charges combinées
Les goupilles et les boulons sont affectés par des moments de flexion, produisant une répartition inégale des contraintes. Des goupilles ou des boulons mal alignés dans des joints présentant des espaces peuvent se plier, réduisant ainsi la résistance effective. Dans des scénarios de chargement combinés (cisaillement + tension + flexion), les assemblages boulonnés correctement conçus surpassent généralement les assemblages à broches simples en raison de leur capacité à maintenir le serrage et à résister à plusieurs types de charges.
Modes de défaillance
Goupille – Usure, cisaillement, déformation
Usure/fretting : un mouvement répété provoque une perte de matière dans la goupille et le trou, augmentant le jeu et réduisant la précision.
Rupture par cisaillement : une charge transversale excessive provoque la rupture de la goupille le long des plans de cisaillement.
Flexion/élasticité : un ajustement incorrect ou un désalignement entraîne une flexion et une déformation permanente, pouvant potentiellement provoquer une liaison des joints.
Boulon – Dénudage de filetage, rupture, desserrage
Dénudage de filetage : défaillance des filetages due à un couple excessif, une longueur d'engagement insuffisante ou une mauvaise qualité du matériau.
Fracture de traction : rupture de boulon sous une charge de traction excessive, généralement dans la région filetée.
Rupture par cisaillement : cisaillement de la tige sous charge transversale.
Desserrage : les vibrations ou les charges dynamiques peuvent entraîner le desserrage des écrous, compromettant ainsi l'intégrité du joint. Des mécanismes de verrouillage (contre-écrous, rondelles) sont généralement nécessaires.
Considérations de conception
Sélection des matériaux : les alliages d’acier à haute résistance sont standard. Le choix des matériaux affecte la résistance, le poids, la résistance à la corrosion et le coût. La corrosion peut dégrader considérablement les performances des broches et des boulons.
Taille et tolérance : Le diamètre détermine la zone de cisaillement et de traction. La tolérance d'ajustement des trous d'épingle est essentielle : un jeu trop lâche entraîne des charges de pente et d'impact ; trop serré complique le montage. La qualité des boulons (par exemple 8,8, 10,9) définit la résistance.
Méthode d'assemblage : une installation correcte est vitale. Les épingles nécessitent une rétention sécurisée ; les boulons nécessitent un couple contrôlé pour obtenir une précharge correcte sans endommager le filetage.
Exigences de maintenance : Les connexions dans des environnements dynamiques ou corrosifs nécessitent une inspection régulière pour détecter l'usure, la corrosion, le jeu et la déformation.
Applications d'ingénierie et études de cas
Structures de scène modulaires : les broches avec des systèmes de cône et de broche supportent des charges de cisaillement élevées, tandis que les boulons sécurisent les plaques de base et les fixations de renfort pour plus de rigidité.
Échafaudage ou constructions temporaires : les systèmes à broches avec mécanismes de verrouillage permettent un assemblage rapide et sûr ; les boulons assurent la rigidité pour la stabilité structurelle.
Liaisons mécaniques : les broches sont idéales pour les points de pivotement des bras mobiles ou des vérins hydrauliques ; les boulons sécurisent les cadres fixes, les boîtes de vitesses et les supports de moteur.
Conclusion
Le choix entre les broches et les boulons dépend des exigences structurelles. Les broches excellent dans les applications à dominante de cisaillement, de pivotement et d'assemblage rapide. Les boulons sont préférables pour les joints rigides soumis à des forces de traction, à des charges combinées et lorsqu'un serrage élevé est nécessaire. Les décisions de conception doivent analyser les types de charges, les exigences de mouvement, les facteurs environnementaux et les besoins de maintenance. Une sélection et une installation correctes sont fondamentales pour une performance structurelle sûre, fiable et efficace.
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