L'impact du jeu sur les propriétés de cisaillement des goupilles élastiques spiralées

Un lamage ou un fraisage est souvent ajouté entre les composants avec l'intention de guider la goupille d'un trou à l'autre. Bien que cette intention soit compréhensible, l'écart qui en résulte est souvent inacceptable. Les goupilles spiralées SPIROL sont conçues avec des chanfreins importants prévus pour faciliter l'alignement pendant l'installation – des lamages et des fraisages ne sont donc pas nécessaires (Figure 1). Ces caractéristiques, bien que souvent négligées, introduisent un jeu et une flexion qui réduisent les performances de la goupille quand elle est chargée en cisaillement. La résistance réduite contribue également à une fatigue pouvant entraîner une défaillance prématurée. Tandis que les causes de défaillance peuvent être simples à identifier, il est important de quantifier les effets d'une défaillance prématurée afin de chercher à comprendre leur impact.

Une goupille spiralée série légère SPIROL a été testée avec des augmentations incrémentales du jeu dans le plan de cisaillement afin de mieux comprendre l'ampleur du changement de performances. Les goupilles série légère ont été sélectionnées car elles étaient facilement installées et retirées. La goupille sélectionnée est une CLDP .250 x 2.500 LBK standard, ou série légère, une goupille spiralée en acier haut carbone avec une finition à l'huile anti-corrosion « sèche au toucher ». Cette goupille possède une longueur suffisante pour permettre des tests avec divers jeux.

Les goupilles élastiques spiralées sont conçues pour s'installer sans guidage supplémentaire par fraisage ou lamage. Le chanfrein concentrique et estampé combiné avec des extrémités nettes et d'équerre permettent une installation sans problème.

Figure 3A La surface de fracture d'une goupille spiralée en cisaillement montre une défaillance sur un plan unique

Figure 3B La goupille spiralée en flexion possède une courbure sur la couche externe et une surface de fracture sur plusieurs plans

Il existe une différence importante visible entre les goupilles subissant une flexion et celles victimes de cisaillement. Comme indiqué dans la Figure 3A, les goupilles subissant un cisaillement montrent une fracture dans un plan. Quand les spirales sont déformées, elles apparaissent plates avec un affaissement dans une direction. La Figure 3B montre une goupille testée avec un écart de 0,120” (3,05 mm). Dans cette image, une flexion se produit clairement, comme l'indique la courbe débouchant sur la surface de fracture.

De plus, la surface de fracture ne reste pas sur un plan mais montre une rupture différente sur chaque spirale. Il est impératif d'étudier à la fois les surfaces de fracture des goupilles défaillantes et les composants hôtes réels dans lesquels les goupilles seront installées. Il n'est pas rare que les composants hôtes aient des caractéristiques non spécifiées sur le schéma qui introduisent un jeu. La cause principale peut être déterminée avec précision uniquement en étudiant tous les composants de l'application. 

Trente exemples de chaque condition ont été testés et la synthèse des résultats est indiquée dans le Tableau 1. Les données s'alignent avec la théorie alléguant que le jeu réduit la force maximale à la fracture. Une observation intéressante est le plus petit changement de force se produisant entre 0,072” (1,83 mm) et 0,120” (3,05 mm). La force requise pour fracturer la goupille a chuté de 18 %, soit environ 800 lbs. (3,6 kN) en augmentant le jeu de 0,005” (0,13 mm) à 0,072” (1,83 mm), mais l'augmentation supplémentaire du jeu à 0,120” (3,05 mm) a entraîné une nouvelle réduction d'environ 150 lbs. (0,7 kN), soit un changement total de 22 %. 

L'équation de contrainte de flexion ou de courbure est¹:

où Ff est la charge à la fracture, R est le rayon de la goupille et L est la distance entre les supports. Un espace est ajouté symétriquement afin d'augmenter la distance entre les points de support, L change à L+2g, g étant la distance de jeu ajoutée sur un côté. En utilisant les valeurs connues, la Figure 4 montre l'impact de g sur la force. La transition entre le cisaillement et la courbure se produit rapidement quand le jeu dépasse la valeur maximale recommandée de 0,005" (0,13 mm). Proportionnellement, les données indiquent que le plus grand changement de résistance se produit avec une déviation minimale par rapport aux conditions de cisaillement idéales. Quand le jeu augmente entre les composants assemblés, la force continue d'être impactée négativement mais l'ampleur du changement n'est pas importante. Dans ce cas, avec une CLDP .250 x 2.250 LBK, une réduction de 18 % de la force a été observée en augmentant le jeu de 0,005” (0,13 mm) à 0,072” (1,83 mm).

Globalement, penser que les lamages et fraisages amélioreront l'insertion de la goupille et auront un impact minimal sur la résistance du joint à goupille est une erreur de conception courante. Le chanfrein annulaire sur la goupille spiralée dirige la goupille dans le trou suivant, même s'il existe un écart d'alignement de quelques degrés entre les trous, éliminant tout besoin de lamage ou de fraisage. Les données montrent une chute significative de la résistance de la goupille quand un petit écart est ajouté entre les plans de cisaillement. En utilisant la résistance à la courbure et les principes de courbure en trois – ou quatre – points, il est clair que l'augmentation du jeu a un effet négatif sur la charge nécessaire pour fracturer les pièces. Lors de la conception de nouvelles applications ou lors d'une réévaluation d'applications existantes, il est important de minimiser l'espace entre les composants afin d'optimiser les propriétés de cisaillement de la goupille et de maximiser la durée de vie de l'assemblage.

¹Callister, William D., “Stress-Strain Behavior” in Materials science and Engineering: An Introduction, 7th ed. New York: Wiley, 2007 pp 447-448