Les écrous constituent des éléments essentiels des assemblages mécaniques, formant avec les vis et boulons les liaisons démontables les plus utilisées dans l'industrie. Bien que souvent considérés comme de simples composants, leur dimensionnement précis est fondamental pour garantir la sécurité et la fiabilité des assemblages. Ce guide technique explore en détail les principes de dimensionnement des écrous, les normes qui les régissent, et les considérations pratiques pour leur sélection appropriée dans différentes applications industrielles.
Le dimensionnement d'un écrou est défini par plusieurs paramètres clés qui déterminent sa compatibilité avec la vis ou le boulon correspondant, ainsi que ses caractéristiques mécaniques :
Ces dimensions sont interdépendantes et doivent respecter des proportions précises pour assurer la fonctionnalité et la résistance de l'assemblage.
Pour un écrou standard hexagonal, les dimensions principales sont dérivées du diamètre nominal (d) selon des formules normalisées :
Ces relations assurent que l'écrou présente une résistance mécanique suffisante tout en permettant l'utilisation d'outils standards pour son montage/démontage.
Le système métrique ISO constitue aujourd'hui la référence mondiale pour le dimensionnement des écrous. Les principales normes incluent :
Ces normes définissent avec précision toutes les dimensions critiques en fonction du diamètre nominal et du pas de filetage, qu'il soit à pas gros ou à pas fin.
En complément des normes ISO, les systèmes européen (EN) et français (NF) proposent des normes additionnelles ou des adaptations spécifiques :
Ces normes peuvent apporter des précisions supplémentaires sur certains types d'écrous spécifiques ou des variantes dimensionnelles adaptées à des contraintes particulières.
Le système impérial américain, bien que moins répandu en Europe, reste important dans de nombreux secteurs industriels. Les normes ANSI/ASME définissent :
Ces normes utilisent des unités en pouces et présentent des proportions légèrement différentes de celles du système ISO.
Pour les écrous hexagonaux normaux les plus couramment utilisés (ISO 4032), voici les dimensions principales en millimètres :
| Diamètre nominal (d) | Pas gros | Entreplat (e) | Surplat (c) | Hauteur (h) |
|---|---|---|---|---|
| M3 | 0,5 | 5,5 | 6,35 | 2,4 |
| M4 | 0,7 | 7,0 | 8,08 | 3,2 |
| M5 | 0,8 | 8,0 | 9,24 | 4,0 |
| M6 | 1,0 | 10,0 | 11,55 | 5,0 |
| M8 | 1,25 | 13,0 | 15,01 | 6,5 |
| M10 | 1,5 | 16,0 | 18,48 | 8,0 |
| M12 | 1,75 | 18,0 | 20,78 | 10,0 |
| M16 | 2,0 | 24,0 | 27,71 | 13,0 |
| M20 | 2,5 | 30,0 | 34,64 | 16,0 |
| M24 | 3,0 | 36,0 | 41,57 | 19,0 |
| M30 | 3,5 | 46,0 | 53,12 | 24,0 |
| M36 | 4,0 | 55,0 | 63,51 | 29,0 |
Pour les applications à espace restreint, les écrous bas présentent une hauteur réduite :
| Diamètre nominal (d) | Pas gros | Entreplat (e) | Surplat (c) | Hauteur (h) |
|---|---|---|---|---|
| M3 | 0,5 | 5,5 | 6,35 | 1,8 |
| M4 | 0,7 | 7,0 | 8,08 | 2,2 |
| M5 | 0,8 | 8,0 | 9,24 | 2,7 |
| M6 | 1,0 | 10,0 | 11,55 | 3,2 |
| M8 | 1,25 | 13,0 | 15,01 | 4,0 |
| M10 | 1,5 | 17,0 | 19,63 | 5,0 |
| M12 | 1,75 | 19,0 | 21,95 | 6,0 |
| M16 | 2,0 | 24,0 | 27,71 | 7,5 |
| M20 | 2,5 | 30,0 | 34,64 | 9,0 |
| M24 | 3,0 | 36,0 | 41,57 | 10,0 |
Pour les applications nécessitant une surface d'appui plus importante ou une plus grande longueur de filetage en prise :
| Diamètre nominal (d) | Pas gros | Entreplat (e) | Surplat (c) | Hauteur (h) |
|---|---|---|---|---|
| M5 | 0,8 | 8,0 | 9,24 | 5,0 |
| M6 | 1,0 | 10,0 | 11,55 | 6,0 |
| M8 | 1,25 | 13,0 | 15,01 | 8,0 |
| M10 | 1,5 | 16,0 | 18,48 | 10,0 |
| M12 | 1,75 | 18,0 | 20,78 | 12,0 |
| M16 | 2,0 | 24,0 | 27,71 | 16,0 |
| M20 | 2,5 | 30,0 | 34,64 | 20,0 |
| M24 | 3,0 | 36,0 | 41,57 | 24,0 |
| M30 | 3,5 | 46,0 | 53,12 | 30,0 |
Le dimensionnement des écrous doit également prendre en compte leur classe de qualité, qui détermine leurs caractéristiques mécaniques, notamment leur résistance à la traction.
Les classes de qualité des écrous sont désignées par un nombre qui indique approximativement 1/100 de la résistance minimale à la traction en MPa. Les classes les plus courantes sont :
Il est essentiel que la classe de qualité de l'écrou soit compatible avec celle de la vis ou du boulon correspondant. Généralement, l'écrou doit avoir une classe légèrement supérieure à celle de la vis pour garantir que la rupture, si elle survient, se produise au niveau de la vis et non de l'écrou.
Les écrous normalisés portent généralement un marquage indiquant leur classe de qualité :
L'absence de marquage correspond généralement à des écrous de classes 4, 5 ou 6, selon les spécifications du fabricant.
Les écrous autofreinés comprennent un mécanisme qui empêche leur desserrage sous l'effet des vibrations. Leur dimensionnement inclut des caractéristiques supplémentaires :
Utilisés avec des goupilles fendues pour des applications où le desserrage doit être absolument évité, ces écrous (ISO 7035, ISO 7036) présentent :
Ces écrous (ISO 4161) intègrent une rondelle solidaire qui augmente la surface d'appui. Leurs dimensions incluent :
Le dimensionnement d'un écrou doit tenir compte des charges auxquelles l'assemblage sera soumis. Pour une application donnée, on calcule :
La résistance au cisaillement des filets est généralement le facteur limitant dans un assemblage vissé bien dimensionné.
Le couple de serrage approprié dépend des dimensions de l'écrou et de sa classe de qualité. Il est généralement calculé selon la formule approximative :
C = k × d × F
Où :
Le choix dimensionnel doit prendre en compte les contraintes d'espace dans l'assemblage :
Le dimensionnement optimal des écrous doit également considérer le matériau de fabrication et ses traitements :
Le choix du matériau peut influencer légèrement les dimensions en raison des différences de propriétés mécaniques et des tolérances de fabrication associées.
Les traitements courants incluent :
Ces traitements modifient l'épaisseur des écrous de quelques microns, ce qui reste généralement dans les tolérances dimensionnelles.
Les normes de dimensionnement évoluent pour répondre aux besoins industriels croissants :
Le dimensionnement des écrous bénéficie des avancées technologiques :
Le dimensionnement précis des écrous constitue un élément fondamental de la conception mécanique, impactant directement la sécurité et la fiabilité des assemblages. Au-delà des simples considérations dimensionnelles, le choix optimal d'un écrou doit intégrer une analyse complète des contraintes mécaniques, des conditions environnementales et des exigences d'installation et de maintenance.
Les ingénieurs et techniciens doivent maîtriser ces principes et se référer systématiquement aux normes en vigueur pour assurer des assemblages vissés performants et durables. L'évolution continue des standards et l'émergence de nouvelles technologies offrent des opportunités d'optimisation toujours plus précises, répondant aux défis industriels actuels et futurs.