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Serrage contrôlé : les clés dynamométriquesBBI N° 122 - Janv. 15
Répondre à une exigence de plus en plus forte

Pour éviter toute atteinte à la sécurité des personnes aux conséquences lourdes à divers égards, la sécurisation des assemblages est une exigence de plus en plus répandue dans un nombre croissant de secteurs d’activité. Dans ce contexte et face à la généralisation des préconisations des constructeurs en matière de serrage contrôlé, le marché des outils dynamométriques, clés manuelles en tête, se développe régulièrement. Au fil des années, les outils se perfectionnent, tout particulièrement les versions électroniques, leur commercialisation s’accompagnant dans certains cas d’un soutien et d’une expertise technique poussés.

Dans d’innombrables secteurs d’activité (industrie, transport, automobile), les outils de serrage contrôlé sont incontournables dans les ateliers de production et de maintenance pour assurer des serrages de qualité aux couples requis. En ce qui concerne les clés dynamométriques – la dynamométrie pouvant être définie comme la science de la mesure des forces – celles-ci relèvent de diverses technologies. Les clés pneumatiques et hydrauliques présentent le double intérêt de pouvoir serrer rapidement et à des couples très élevés, parfois supérieurs à 4 000 Nm. Dans le cas de l’hydraulique, des clés de dimensions relativement réduites peuvent serrer à des couples qui nécessitent le recours à des outils de très grande longueur dans le cas des clés mécaniques. Du côté des désavantages des clés dynamométriques hydrauliques et pneumatiques, conçues et fabriquées par des intervenants spécialisés dans ces types d’outils, il faut mentionner l’obligation de disposer d’une installation spécifique nécessaire à leur mise en œuvre, souvent coûteuse et qui ne se justifie pas toujours. En outre, la précision de ces clés aux capacités de serrage supérieures laisse souvent à désirer (surtout dans le cas du serrage pneumatique), les assemblages devant alors être contrôlés par d’autres outils.
Les clés dynamométriques manuelles mécaniques et électroniques, auxquelles est consacré ce dossier, sont quant à elles utilisables partout et sans aucune installation spécifique. Du micro-serrage pouvant exister en chirurgie orthopédique jusqu’aux serrages très importants qui peuvent être requis dans le domaine de la pétrochimie ou de l’énergie éolienne en passant par la mécanique, l’automobile ou encore la charpenterie métallique – un domaine où le serrage contrôlé monte en puissance – le champ des applications de ces clés mécaniques et électroniques capables selon les catégories et les modèles de serrer à des couples inférieurs à 1 Nm jusqu’à plusieurs milliers de newton-mètres est très vaste. Concernant le sens de serrage, si toutes les clés dynamométriques réalisent le serrage à droite, de nombreux modèles sont équipés d’un système d’inversion du cliquet (carré d’entraînement réversible) permettant également le serrage à gauche.

Principe de fonctionnement

Avant d’aborder les différentes catégories des clés dynamométriques entrant dans le champ de ce dossier, nous dirons quelques mots de la mesure du couple que réalisent ces outils de serrage, lesquels provoquent une déformation élastique et non permanente du boulon et excluent le risque de rupture de celui-ci, susceptible de se produire avec un outil traditionnel de serrage. Le couple se définit par la longueur du bras de levier et par la force appliquée sur ce dernier. Si la première est facile à mesurer, la seconde est pour sa part difficile à évaluer.

Par des moyens différents selon qu’il s’agit d’un outil mécanique ou électronique, une clé dynamométrique permet de mesurer cette force et d’indiquer la valeur du couple de serrage, lequel peut s’exprimer en Nm (newton-mètre), en kgf.m (kilogramme force mètre, 1 kgf.m étant égal à 9,81 Nm), en lbf.ft (pound force foot, 1 lbf.ft étant égal à 1,35 Nm) et en lbf.inch (pound force inch, 1 lbf.inch valant 0,1129 Nm). Sur les clés dynamométriques mécaniques dont il existe plusieurs catégories que nous allons évoquer dans les paragraphes qui suivent, un ressort de compression (et très exceptionnellement une lame de torsion, ce qui est à notre connaissance le cas du seul fabricant allemand
Stahlwille) est automatiquement déclenché lorsque la valeur du couple est atteinte. Le principe de fonctionnement des clés électroniques repose pour sa part sur l’existence des jauges de contrainte, des éléments électriques positionnés sur l’axe mécanique de la clé modifiant la résistivité de ces jauges lorsque l'axe bouge.

Le déclenchement, le système le plus répandu

Dans le cas de la technologie la plus ancienne de clés mécaniques, un déclenchement perceptible par l’utilisateur par un signal sensitif, sonore (appréciable dans un environnement d’atelier de production qui peut être bruyant) et/ou visuel se produit lorsque la valeur de couple préréglée est atteinte, provoquant le désaccouplage du levier de commande de la pièce à serrer. En réalité, la force réellement appliquée sera légèrement supérieure car il faut tenir compte du temps de réaction nécessaire à l’utilisateur pour qu’il cesse son action après l’émission du signal. Ces clés dites à déclenchement – dont les plus anciens modèles demandaient à être réarmés à chaque nouveau serrage, ce qui n’est plus nécessaire depuis déjà fort longtemps – peuvent être mono-couple ou réglables à différentes valeurs de couple. Dans ce dernier cas, elles sont équipées d’un vernier, sorte de réglette graduée, permettant de régler le couple de serrage, généralement en tournant une bague, avec une finesse dépendant de celle de la graduation du cadran (par 1/10ème de Nm, par Nm, par dizaines de Nm…).

Le réglage du couple peut également se faire par affichage digital. Il suffit alors d’appuyer sur un bouton pour modifier le réglage du couple, ce qui peut apparaître plus rassurant pour l’utilisateur mais complique un peu la gestion de l’outil, ce système fonctionnant sur pile. Des systèmes de verrouillage automatique du réglage du couple excluant tout risque de déblocage du couple équipent de nombreux outils. D’une utilisation très répandue, les clés dynamométriques à déclenchement peuvent réaliser des serrages contrôlés dans un très large éventail de couples fréquemment compris entre 1 et 2 500 Nm.

Les clés dites « à cassure » fonctionnent sur un principe similaire à celui des outils à déclenchement, ce dernier apparaissant toutefois de manière beaucoup plus nette (d’où le terme de cassure), facilement repérable à l’œil. Offrant une précision de serrage plus grande, les clés à cassure sont utilisées essentiellement en production et pour des couples de serrage généralement importants.

Le débrayage pour un serrage précis et répétitif

Particulièrement adaptées aux serrages répétitifs réalisés, par exemple, sur une chaîne de production ou d’assemblage, certaines clés dynamométriques mécaniques sont équipées d’un mécanisme qui débraye à l’atteinte du couple de serrage, ce qui exclut toute possibilité de dépassement du couple susceptible d’intervenir avec les mécanismes à déclenchement. Ne comportant pas de vernier, les clés dynamométriques à débrayage sont des outils de serrage contrôlé mono-couple (le réglage peut toutefois être modifié à l’intérieur d’une plage de valeurs sur un banc d’étalonnage) particulièrement adaptés aux serrages répétitifs. Elles permettent de réaliser un serrage fiable et précis sur des couples assez peu élevés dépassant rarement une centaine de newton-mètres.

Contrairement aux autres clés dynamométriques, les clés à débrayage peuvent être équipées uniquement d’un cliquet, à l’exclusion de toute autre accessoire de type œil, fourche, etc.

Lecture directe et technologie mixte

Avant d’en venir aux caractéristiques et aux atouts des clés dynamométriques électroniques, on mentionnera l’existence de deux autres catégories de clés pour le serrage contrôlé, les clés électromécaniques et les clés mécaniques à lecture directe, deux types de produits d’une utilisation moins répandue que les autres clés dynamométriques évoquées dans ce dossier.

Fonctionnant selon le principe des clés mécaniques à déclenchement et à débrayage, les modèles électromécaniques bénéficient, sans qu’on puisse les ranger dans la catégorie des outils électroniques, d’un apport de l’électronique qui en augmentera la facilité d’utilisation, par exemple en signalant les différentes phases du serrage par des voyants lumineux de couleurs différentes ou encore en émettant un signal sonore à l’atteinte du couple.

Les clés mécaniques à lecture directe, désignées par certains fabricants sous la dénomination de clés à cadran, sont quant à elles dépourvues de tout mécanisme de déclenchement, cassure ou débrayage signalant ou provoquant l’arrêt de l’application du couple. Avec elles, l’utilisateur cesse le serrage lorsque la valeur souhaitée s’affiche sur le cadran. Bien que le champ des utilisations de ces outils ne soit pas limité au contrôle du couple de serrage, plusieurs fournisseurs indiquent que celui-ci constitue toutefois l’une des principales applications des clés mécaniques à lecture directe.

Traçabilité assurée avec l’électronique

Les clés dynamométriques électroniques sont elles aussi des outils à lecture directe du couple. La manipulation de ces outils fonctionnant sur piles ou batteries est similaire à celle des clés mécaniques. Après avoir réglé la valeur du couple de serrage, un signal avertit que celui-ci est atteint et l’utilisateur cesse alors d’appliquer la force. La traçabilité des serrages qu’apporte l’électronique combinée à l’informatique est l’un des atouts majeurs de cette catégorie de clés dynamométriques. Mémoire interne permettant le
stockage de données en nombre, possibilité de programmer d’innombrables serrages grâce à des logiciels spécifiques, contrôle du serrage en temps réel, liaison à un ordinateur via un câble ou une clé USB (et, sans doute très prochainement, sans fil) pour le traitement des données … Les possibilités offertes par les clés dynamométriques électroniques dont l’amélioration est régulière sont innombrables et s’inscrivent parfaitement dans la recherche croissante de sécurisation des assemblages qui est d’autant plus forte que la sécurité des personnes est en jeu, comme dans le domaine des transports, par exemple.