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Niveau : Débutant

Clé dynamométrique

11.06.2018

Dans l'univers de la mécanique en général, que ce soit auto ou moto, aussi bien les mécaniciens professionnels que les "bricoleurs" ou amateurs, expérimentés ou pas, nous finissons par nous retrouver un jour ou l'autre face à la nécessité de devoir serrer une vis ou un écrou "correctement", et ce correctement veut dire "serrer assez fort mais pas trop".
C'est facile à dire ! Mais comment être sûrs d'avoir assez serré sans avoir trop serré ?! Sachant qu'en plus cette notion peut paraître tout à fait relative, en fonction de la force de celui qui serre, mais aussi de son expérience dans le domaine du serrage...

Contrairement à ce que l'on pourrait croire en lisant ces phrases, le serrage n'est pas ce qu'on pourrait appeler "un art", ce n'est donc pas une sorte de "don" que certains ont alors que d'autres pas. Même si l'expérience peut aider en cas de manque de données ou d'outillage approprié, c'est une science très précise et où il n'y a pas vraiment de place pour se tromper ni pour l'incertitude liée à l'intuition ou l'expérience humaine.

Dans ce tutoriel nous allons aborder dans un premier temps les principes de base d'une clé de serrage dynamométrique, puis les appliquer à la fabrication d'une clé "faite maison" (ou DIY) qui vous permettra de faire vos serrages avec une grande précision. Nous finirons par aborder la manière d'appliquer la même méthode pour valider ou calibrer une clé dynamométrique automatique "standard", enfin une méthode vous sera proposée pour pouvoir utiliser plus efficacement une clé "bas de gamme".

Matériel nécessaire

Pour réaliser votre propre clé de serrage dynamométrique vous aurez besoin des éléments suivants :

Pourquoi faire ?

Il y a plusieurs raisons qui mènent à devoir serrer correctement votre vis ou écrou, la plus importante étant à mon sens pour ne rien casser : en effet, si vous serrez trop fort vous pouvez faire "foirer" le filetage (le casser), ce qui rendra votre vis ou écrou inutilisable et tout serrage impossible. Vous pouvez aussi "trop écraser" des matériaux plus malléables ou souples serrés par votre écrou.
D'un autre côté, si vous ne serrez pas assez fort vous risquez d'avoir un montage pas assez fiable, qui pourrait se "démonter tout seul" et par conséquent porter parfois même atteinte à votre sécurité selon l'élément assemblé (les éléments vitaux comme les freins, suspensions, direction, etc...).

Il devient donc parfois même vital de serrer correctement pour garantir le bon fonctionnement et tenue de votre assemblage.

Principes de base

Pour commencer il faut simplement se poser la question "qu'est-ce-qu'un serrage ?". La plupart des gens répondront quelque chose comme : "c'est la force avec laquelle on serre une vis ou un écrou". Et bien... vous avez tout à fait raison ! Ce n'est pas plus compliqué que cela !

Pour approfondir un peu, un serrage est exprimé de notre côté du monde le plus généralement dans l'unité Nm, qui n'est que l'abréviation de "Newton . mètre".
Si vous avez suivi vos cours de physique de lycée au lieu de draguer votre voisin(e), vous vous rappellerez certainement que Newton est l'unité qui mesure justement une force : ça tombe bien ! Mais alors pourquoi on "greffe" ces mètres derrière ?
Pour résumer, sans vous refaire un cours de physique mécanique, 1Nm correspond à la force de serrage (C) exercée sur l'axe (A) d'une barre de 1 mètre de long, en appliquant une force (F) de 1N au bout de celle-ci (B) :

Couple de serrage
Cette force résultante (C), effectivement exercée sur l'axe (A), est appelée un couple de serrage. Elle tient donc compte de "l'effet levier" de la barre pour le serrage, c'est par conséquent une unité de mesure qui se base sur cette référence.
Notez que la force (F) est exercée perpendiculairement à la barre, c'est très important.

"Donnez-moi un point d'appui, ... et je soulèverai le monde." (Archimède)
Si vous vous rappelez toujours de vos cours, vous savez donc que plus la barre est longue plus l'effet levier est "fort", en d'autres mots : plus la barre est longue, en appliquant la même force au bout (B), la force (ou le couple) (C) au niveau de l'axe (A) sera supérieure, et vice-versa (plus la barre est courte, plus il faut faire une grande force (F) pour serrer au même couple (C)). C'est comme ça que vous arrivez à desserrer un écrou de cardan beaucoup plus facilement avec une rallonge qu'avec une clé un peu trop courte...
Pour illustrer cela, si vous appliquez toujours 1N au bout d'une barre mais que la barre mesure 2 mètres, alors vous êtes en train de serrer à 2Nm.

Couple de serrage

C'est en utilisant ce principe que vous pouvez donc mesurer le couple avec lequel vous serrez quelque chose : en mesurant la longueur de la barre (ou clé) et la force appliquée au bout.
Sachez que toutes les clés dynamométriques mettent en œuvre ce principe pour mesurer le couple de serrage.

C'est bien joli tout ça, mais comment je sais quel couple je dois appliquer sur ma vis ou mon écrou ?
Ah ! nous approchons du but ! Le serrage optimal d'un boulon ou un écrou (tout assemblage fileté en général) c'est le couple maximal que vous pouvez exercer pour que votre assemblage tienne sans que cela n'abime rien : ni les pièces tenues, ni les filetages de vos vis & écrous. Le calcul de ce couple optimal dépend par conséquent d'énormément de facteurs, essentiellement les matériaux utilisés pour la fabrication des deux parties du filetage (vis & écrou) : leur élasticité, leur résistance, friabilité, etc... mais aussi celle des éléments serrés, c'est à dire ceux qui se trouvent entre les deux.

Par exemple : si vous serrez du plastique avec des vis métalliques et que vous serrez trop fort, vous risquez de casser le plastique. A contrario, si vous essayez de serrer un assemblage en métal avec des vis en plastique, ce n'est pas sûr que vous puissiez serrer vos boulons assez fortement pour faire bien tenir tout ça. C'est pour ces raisons qu'en règle générale ce sont des matériaux assez proches qui sont utilisés, même si vous pouvez trouver plus facilement des serrages avec des boulons faits dans un matériel plus résistant que l'assemblage à serrer.

Pour savoir à quelle force vous pouvez serrer au plus fort pour faire tenir votre assemblage correctement sans casser le pas de vis de votre boulon, il faut faire des calculs assez complexes et difficilement accessibles au commun des mortels....

Mais pas d'inquiétude, j'ai une bonne nouvelle pour vous : en fait vous n'aurez pas besoin d'apprendre à faire ces calculs ! En règle générale les fabricants vous renseignent le couple de serrage recommandé pour serrer vos pièces !
Il vous suffit donc de vous procurer un manuel d'entretien et réparations où ces couples de serrage sont renseignés et vous aurez tout ce qu'il vous faut pour le faire !

manuel d'entretien avec couples de serrage spécifiés

J'ai tout ?! Et comment je fais pour mesurer mon serrage ?
C'est le but de ce tutoriel ! Vous allez apprendre à mesurer un couple de serrage dans pas longtemps, continuez juste à lire...

La clé dynamométrie que vous pouvez vous faire vous-même

Le principe étant maintenant clair, il "suffit" donc de savoir à quel couple doit-être fait le serrage (en Nm), de connaître la longueur de la clé (en mètres) et de savoir s'arrêter de serrer lorsque la bonne force aura été atteinte (en N)...

Analysons ce dont nous disposons :

  1. Le couple de serrage : est renseigné par le fabriquant ou le manuel d'entretien et/ou réparations → OK ;
  2. La longueur de la clé : ... il suffit de la mesurer ! → OK !
  3. Savoir s'arrêter de serrer lorsque la bonne force est atteinte : hmmm... vous avez un indice avec la liste du matériel nécessaire pour réaliser ce tutoriel...
    Oui ! La balance portable c'est bien ce qu'il nous faut pour mesurer la force exercée !

OK pour la balance, mais elle affiche des grammes et/ou des kilogrammes, pas des Newtons !
En effet, ce n'est pas exactement la même chose, mais tenant compte de la gravité au niveau de la mer sur notre planète terre : nous savons que cette même force de gravité fait en sorte qu'une masse de 1Kg exerce une force de 9.80665 Newtons en direction du centre de la terre. Nous pouvons ainsi assumer que notre balance fait simplement le calcul inversé, convertissant la force exercée (Newtons) en un poids à afficher (Kilogrammes).
Il suffit par conséquent de "convertir" ces kilogrammes en Newtons en inversant ce rapport et le tour est joué, nous avons tous les éléments nécessaires pour faire une clé dynamométrique !

A ce stade, si vous avez tout pigé, vous n'avez limite pas besoin de lire la suite pour savoir ce qu'il faut faire, mais nous allons le faire ensemble tout de même, sinon ce ne serait pas un tutoriel !

Avant de commencer à serrer, il convient donc de calculer quel poids doit afficher la balance pour que le serrage exercé corresponde bien au couple souhaité. Soient :

Nous avons vu que le couple de serrage se calcule tout simplement comme ceci :
or, nous souhaitons avoir une force exprimée en Kg (kilogrammes) pour pouvoir utiliser notre balance comme outil de mesure. Sachant donc que :
g étant la force exercée par la gravité sur terre pour 1Kg au niveau de la mer. Nous obtenons tout simplement :
Il suffit de revenir à notre formule initiale et remplacer Fn par son équivalent :
Enfin, comme ce que nous souhaitons faire ce n'est pas calculer le couple de serrage, mais plutôt le poids à afficher sur la balance pour serrer à un couple spécifié, il suffit de résoudre Fkg de la formule/équation, et nous obtenons tout naturellement :
Une petite mise en application à titre d'exemple vous permettra de bien comprendre comment faire ce petit calcul. Supposons que vous disposez d'une clé de 15cm et que vous souhaitez serrer un écrou à 2daNm. Il suffit de remplacer dans la formule, sans oublier de convertir les unités !
N'oubliez pas que :
15cm = 0.15m emote wink
da = 10x (déca) ⇒ 2daNm = 20Nm

Ce qui donne un résultat de :

Il vous faudra donc serrer jusqu'à ce que votre balance affiche 13,6Kg pour que votre écrou soit serré au couple de 2daNm !

Cette petite calculatrice vous permettra de refaire ce calcul facilement, en appliquant la formule ci-dessus mais en saisissant les unités les plus couramment utilisées et utiles (en France). Il vous suffit de saisir la longueur de votre clé en cm et le couple de serrage en daNm puis d'appuyer sur le bouton "Calculer" pour connaître la valeur à atteindre avec votre balance :

cm - m Poids à obtenir : - g
daNm - Nm - Kg

Remarquez que les poids calculés représentent la même valeur, exprimée en grammes (g) ou en kilogrammes (Kg), ce qui peut être utile selon la grandeur et/ou la précision de la mesure à effectuer.

Assez de théorie, passons à la pratique !

Ça peut paraître un peu long, mais ce n'est qu'en sachant ce que vous faites et pourquoi vous le faites que vous saurez bien le faire. Alors passons maintenant à la mise en pratique et utilisation de tout ça :

La première chose à faire c'est de trouver la clé qui va sur votre vis ou écrou à serrer et de mesurer sa longueur. Mais ATTENTION : il ne faut pas juste mesurer la longueur de la clé bout à bout ! Rappelez-vous que ce qui est important et qu'il faut mesurer c'est la distance entre l'axe à serrer, qui correspond au centre de votre vis/écrou, et l'endroit où vous allez exercer votre force de serrage, avec votre balance. Ce dernier point est très important car vous n'allez pas accrocher votre balance tout au bout de votre clé, mais à un endroit assez solide pour pouvoir serrer sans qu'elle ne "glisse" ni vous fasse d'autres caprices, d'autant plus que le serrage à faire sera élevé.

Voici une photo schématisée de l'utilisation d'une clé à œil pour serrer un écrou, vous montrant les éléments clés de la mesure à faire :

Couple de serrage : montage sur une clé à œil Couple de serrage : montage sur une clé à œil
Dans ce cas, c'est assez simple car la balance est accrochée via ce fil de fer à un point précis de la clé. Mais avec une clé à fourche ou un cliquet ça peut être moins évident. Vous devez donc décider et tester dès le départ quel est le meilleur endroit pour accrocher votre balance et surtout vous y tenir pendant le serrage, au risque de fausser la mesure le cas échéant.
Gardez cependant toujours en tête que plus la balance sera loin de la vis/écrou, meilleure sera la précision de serrage et l'effort à faire sera aussi réduit, par l'effet de levier, donc plus aisé. En d'autres mots plus la clé est longue et mieux ce sera.

Une bonne astuce pour éviter de se tromper serait par exemple celle d'utiliser une clé à cliquet et d'attacher la balance au trou prévu pour l'accrocher. La longueur Lm utilisée dans votre formule ne changera pas souvent et il n'y aura que le couple qui va varier selon le serrage à effectuer.

Couple de serrage : montage sur une clé à cliquet Couple de serrage : montage sur une clé à cliquet

ATTENTION : sur ces photos c'est à chaque fois la longueur de la clé qui est mesurée, mais il est impératif de mesurer non pas la longueur de la clé mais la distance entre l'axe de serrage et le positionnement du point de force sur la clé. Par exemple, sur l'image ci-dessous, la distance Lm est différente car la balance est positionnée au centre du manche de la clé et pas au bout :

Couple de serrage : montage sur une clé à cliquets Couple de serrage : montage sur une clé à cliquets

Il ne reste plus qu'à serrer : pour ce faire n'oubliez pas de tirer sur votre balance toujours perpendiculairement à votre clé et faites-le doucement.

Vous aurez atteint le bon couple de serrage lorsque le bon poids s'affichera sur votre balance sans que la clé continue à serrer.

En pratique vous tirez, la clé avance, vous tirez à nouveau, elle avance encore un peu, etc... il faut continuer tant que vous n'arrivez pas à garder le poids nécessaire affiché sans que la clé ne bouge. Si vous avez peur de dépasser le serrage, il vaut mieux vous arrêter dès que vous voyez le poids requis affiché, sans attendre que la clé arrête de bouger.

En procédant ainsi, selon la précision de votre balance et la longueur de votre clé (plus elle sera longue, meilleure sera la précision), vous pourrez faire des serrages au couple avec une précision qui pourra largement dépasser celle de certaines clés déjà chères disponibles sur le marché de l'outillage du grand public.

Cette vidéo vous résume l'application pratique de tout ce qui a été présenté jusqu'à maintenant :

Calibration d'une clé dynamométrique

La précision de cette méthode vous permet même de vérifier le calibrage d'une clé dynamométrique, pour éventuellement le corriger. En outre, cela vous permettra aussi d'utiliser une clé dynamométrique automatique pour effectuer vos serrages avec une grande précision, même s'il s'agit d'une de celles que vous pouvez trouver pour un prix dérisoire, mais dont la précision peut aller jusqu'à 30% d'écart par rapport au couple réglé.

Vérifier la calibration

Commençons par le plus simple, si vous avez déjà une clé dynamométrique et que vous vous êtes déjà demandé si elle serrait bien au couple que vous régliez sur la molette de réglage, rien de plus simple.
Sachez cependant que pour valider la calibration d'une clé dynamométrique il faut faire le plus de mesures possibles afin de valider qu'il n'y a pas d'écarts non-linéaires. Mais pour décrire la méthode, disons qu'il faut au moins faire trois mesures : Pour simplifier nous prenons une seule valeur intermédiaire, mais pour valider une calibration il est recommandé de prendre au moins 9 valeurs intermédiaires, espacées de 10% de la plage de mesure. Dans l'exemple cité la plage de mesure est de 100 - 40 = 60Nm, et 10% de 60 = 6Nm ; donc il faudrait idéalement faire 9 mesures intermédiaires tous les 6Nm : 40Nm, 46Nm, 52Nm, ... 94Nm, 100Nm ; ce qui fait un total de 11 mesures en comptant les limites.

Pour procéder à la vérification, vous réglez votre clé au couple à vérifier, puis vous serrez avec votre balance et vous notez la valeur en Kg à laquelle votre clé s'est effectivement déclenchée. L'écart entre la valeur effective de déclenchement et la valeur initialement souhaitée par le calcul vous donnera l'écart d'erreur de votre clé par rapport à la réalité.

Il va de soi que, comme précédemment, plus votre balance sera précise et plus votre mesure de la longueur entre l'axe de votre clé et le point d'accroche de votre balance sera précise, plus fiable sera votre mesure et votre calcul d'écart.
Sachez que jusqu'à 5% d'erreur vous pouvez considérer que c'est une excellente clé ; entre 5 et 10% d'erreur ça reste encore une bonne clé ; et au-delà de 10% ce sera une mauvaise clé.

Dans certaines clés vous pouvez corriger son calibrage en serrant (ou desserrant) une vis ou un mécanisme de réglage, qui est souvent caché ou condamné pour éviter un déréglage involontaire. Faites attention à bien revérifier toute la calibration de votre clé si vous faites cela. En effet, si vous corrigez pour une valeur précise (intermédiaire ou limite), vous modifiez le réglage pour toutes les autres : en pratique il s'agit donc de trouver le meilleur compromis où l'écart est réduit au mieux pour toutes les valeurs ou réduit pour les valeurs qui vous intéressent le plus si vous n'êtes intéressé que par une plage partielle du réglage de votre clé.
Gardez cependant en-tête qu'il vaut toujours mieux serrer en-dessous (moins fort) du couple souhaité qu'au-dessus (trop fort) : un bon calibrage est donc un calibrage dont une ou plusieurs valeurs correspondent avec la réalité et les autres sont légèrement en-dessous. Ces derniers écarts feront aussi un bon critère pour déterminer la qualité de votre clé.

Mais même avec une mauvaise clé vous pouvez faire un serrage précis !

Ceci peut paraître paradoxal mais c'est tout à fait valable, la nuance réside dans le fait que vous ne pouvez pas faire cela en vous fiant à son réglage (molette de réglage de l'outil). L'astuce réside dans le fait de régler la clé pour qu'elle se déclenche au couple nécessaire, et ce sans vraiment tenir compte de la valeur affichée par la molette de réglage.
Ça peut paraître compliqué mais c'est très simple : il vous suffit de prendre votre clé bon marché et tout comme pour la calibration précédente la coincer dans votre établi, mesurer la longueur entre l'axe et votre balance, calculer le poids à afficher pour atteindre votre serrage souhaité. Puis réglez votre molette de clé au couple souhaité. Enfin vous serrez avec votre balance comme pour faire un serrage jusqu'à ce que la clé se déclenche :
Il suffit d'itérer ainsi jusqu'à trouver le réglage où votre clé se déclenche bien au bon moment. Ne le notez pas : ces clés sont si peu fiables que parfois le fait de mettre un autre réglage et revenir font qu'elle ne serre déjà plus au même couple ! (oui ce sont parfois des très mauvaises clés). Enfin, vous pouvez le noter quand même pour partir de là la prochaine fois afin de trouver plus rapidement le bon réglage, mais ne la considérez pas comme une valeur fiable.

FAQ

Voici un petit recueil de questions-réponses liées à ce tutoriel :

Diego
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