Les goupilles cylindriques représentent des éléments de fixation essentiels dans de nombreux domaines de la mécanique industrielle. Bien que souvent discrètes par leur taille, elles jouent un rôle crucial dans l'assemblage, le positionnement et la transmission d'efforts entre pièces mécaniques. Simples en apparence mais complexes dans leurs applications, ces composants standardisés se déclinent en plusieurs types répondant à des normes précises et des usages spécifiques. Cet article explore en détail les caractéristiques, les variantes, les normes et les applications des goupilles cylindriques, offrant un guide complet pour les concepteurs, les ingénieurs et les techniciens confrontés au choix et à l'utilisation de ces éléments fondamentaux de la construction mécanique.
Une goupille cylindrique est un élément de fixation de forme cylindrique, généralement en métal, utilisé pour assurer diverses fonctions mécaniques :
Contrairement aux vis et boulons, les goupilles cylindriques transmettent les efforts par contact direct et frottement, sans filetage. Leur géométrie simple et leur mise en œuvre par ajustement serré garantissent des assemblages précis et fiables.
Les goupilles cylindriques se caractérisent par :
Ces caractéristiques varient selon les types spécifiques de goupilles et leurs applications prévues.
Les goupilles cylindriques lisses, définies par la norme ISO 2338 (NF EN ISO 2338), constituent la version la plus simple de cette famille d'éléments de fixation. Elles présentent un corps parfaitement cylindrique avec des tolérances dimensionnelles précises.
Caractéristiques :
Applications typiques :
Ces goupilles sont généralement montées par emmanchement à la presse ou au maillet, nécessitant un alésage légèrement inférieur au diamètre de la goupille.
Les goupilles cylindriques trempées, normalisées par l'ISO 8734 (NF EN ISO 8734), se distinguent par leur traitement thermique qui leur confère une dureté et une résistance mécanique supérieures.
Caractéristiques :
Applications typiques :
Leur dureté élevée les rend particulièrement adaptées aux applications à forte sollicitation mécanique ou présentant des risques d'usure.
Les goupilles à ressort, également appelées goupilles élastiques, goupilles Spirol® ou goupilles Roll Pin, sont normalisées par l'ISO 8752 (NF EN ISO 8752). Elles se distinguent par leur conception tubulaire fendue qui leur confère des propriétés élastiques.
Caractéristiques :
Applications typiques :
Leur principal avantage réside dans leur facilité de montage et démontage sans détérioration de l'alésage, ainsi que leur capacité à compenser les tolérances d'usinage plus larges.
Les goupilles cannelées, définies par la norme ISO 8740 (NF EN ISO 8740), présentent des cannelures longitudinales sur leur surface qui augmentent la surface de contact et améliorent la tenue en rotation.
Caractéristiques :
Applications typiques :
Les cannelures permettent une déformation contrôlée lors du montage, ce qui augmente la force de maintien et la résistance à la rotation.
Les goupilles cylindriques sont régies par plusieurs normes internationales ISO qui définissent leurs dimensions, tolérances et caractéristiques techniques :
Ces normes assurent l'interchangeabilité des composants à l'échelle internationale et définissent les spécifications techniques que les fabricants doivent respecter.
Les dimensions des goupilles cylindriques sont normalisées selon des séries géométriques. Les diamètres courants incluent :
| Série fine | Série moyenne | Série grosse |
|---|---|---|
| 1,0 mm | 1,5 mm | 2,0 mm |
| 1,5 mm | 2,0 mm | 2,5 mm |
| 2,0 mm | 3,0 mm | 3,0 mm |
| 2,5 mm | 4,0 mm | 4,0 mm |
| 3,0 mm | 5,0 mm | 5,0 mm |
| 4,0 mm | 6,0 mm | 6,0 mm |
| 5,0 mm | 8,0 mm | 8,0 mm |
| 6,0 mm | 10,0 mm | 10,0 mm |
| 8,0 mm | 12,0 mm | 12,0 mm |
| 10,0 mm | 16,0 mm | 16,0 mm |
| 12,0 mm | 20,0 mm | 20,0 mm |
| 16,0 mm | 25,0 mm | 25,0 mm |
| 20,0 mm | - | - |
Les longueurs normalisées suivent également des séries préférentielles, généralement de 6 mm à 100 mm selon le diamètre.
Les tolérances dimensionnelles des goupilles cylindriques sont cruciales pour leur fonction :
Ces tolérances garantissent que les goupilles remplissent correctement leur fonction de positionnement ou de fixation.
Les matériaux les plus couramment utilisés pour les goupilles cylindriques sont :
Ces aciers offrent un bon compromis entre coût, usinabilité et propriétés mécaniques.
Pour les applications nécessitant une résistance à la corrosion :
Les goupilles en acier inoxydable sont particulièrement adaptées aux industries alimentaire, chimique et médicale.
Pour des applications spécifiques, d'autres matériaux peuvent être utilisés :
Différents traitements peuvent être appliqués pour améliorer les propriétés :
Le choix d'une goupille cylindrique doit prendre en compte plusieurs facteurs :
La résistance au cisaillement d'une goupille cylindrique est généralement le critère dimensionnant. Pour une goupille soumise à une force de cisaillement F, on vérifie :
τ = F / (π × d² / 4) ≤ τadm
Où :
Pour une goupille en acier standard, τadm est généralement de l'ordre de 0,5 × Re, où Re est la limite d'élasticité du matériau.
La pression diamétrale (ou matage) doit également être vérifiée :
p = F / (d × e) ≤ padm
Où :
La pression admissible dépend du matériau des pièces assemblées et est généralement plus critique pour les matériaux tendres comme l'aluminium ou les plastiques.
Pour les assemblages utilisant plusieurs goupilles, la répartition des efforts doit être considérée. Dans le cas idéal d'une répartition parfaite, chaque goupille supporte une fraction égale de la charge totale. En pratique, il est recommandé d'appliquer un coefficient de sécurité pour tenir compte des imperfections de montage.
Dans la construction mécanique générale, les goupilles cylindriques sont utilisées pour :
Exemples d'applications : assemblages de bâtis de machines, positionnement de plaques de guidage, fixation d'éléments de transmission.
Dans l'industrie automobile, les goupilles cylindriques trouvent leur place dans :
Les goupilles élastiques sont particulièrement prisées pour leur résistance aux vibrations.
Les applications aéronautiques imposent des exigences élevées :
Dans ce secteur, les matériaux utilisés sont souvent des aciers haute résistance ou des alliages spéciaux comme le titane.
Dans les outillages industriels, les goupilles cylindriques sont essentielles pour :
Pour ces applications, les goupilles trempées sont privilégiées pour leur résistance à l'usure.
Pour une utilisation optimale des goupilles cylindriques :
Différentes techniques de montage peuvent être employées :
Le démontage des goupilles cylindriques peut s'avérer délicat :
Pour faciliter les démontages ultérieurs, il est recommandé de prévoir des trous taraudés d'extraction ou des épaulements accessibles.
Plusieurs problèmes peuvent survenir avec les goupilles cylindriques :
| Problème | Cause possible | Solution |
|---|---|---|
| Goupille difficile à insérer | Tolérance trop serrée, alésage non aligné | Vérifier les tolérances, réaléser, utiliser un lubrifiant de montage |
| Goupille qui tourne dans son logement | Tolérance trop lâche, usure | Utiliser une goupille de diamètre supérieur ou une goupille cannelée |
| Rupture de la goupille | Sous-dimensionnement, effort excessif | Augmenter le diamètre, utiliser plusieurs goupilles, choisir un matériau plus résistant |
| Déformation de l'alésage | Matériau trop tendre, pression excessive | Utiliser une bague de renfort, choisir une goupille élastique |
Les goupilles cylindriques s'inscrivent dans une famille plus large d'éléments de fixation et de positionnement :
| Type d'élément | Avantages | Inconvénients | Applications typiques |
|---|---|---|---|
| Goupilles cylindriques | Positionnement précis, résistance au cisaillement | Démontage difficile | Positionnement, transmission d'efforts |
| Goupilles coniques | Auto-centrage, facilité de démontage | Moins résistantes au cisaillement | Assemblages démontables fréquemment |
| Douilles de positionnement | Précision accrue, remplaçables | Coût plus élevé | Outillages de précision |
| Vis de positionnement | Ajustables, démontables | Moins précises, sensibles aux vibrations | Positionnement réglable |
Les goupilles cylindriques sont souvent utilisées en combinaison avec d'autres éléments :
Les goupilles cylindriques, malgré leur apparente simplicité, constituent des éléments fondamentaux dans la conception mécanique moderne. Leur diversité de types, de dimensions et de matériaux permet de répondre précisément à une multitude de besoins industriels, depuis le simple positionnement jusqu'à la transmission d'efforts importants dans des conditions exigeantes.
Le choix judicieux du type de goupille, de ses dimensions et de son matériau, ainsi que la maîtrise des techniques de mise en œuvre, sont essentiels pour garantir des assemblages fiables et durables. De la conception initiale en bureau d'études jusqu'à l'installation sur le terrain, chaque étape du processus doit être soigneusement considérée pour exploiter pleinement le potentiel de ces composants discrets mais cruciaux.
Face aux évolutions constantes des techniques de fabrication et des matériaux, les goupilles cylindriques continuent de s'adapter et de se perfectionner, démontrant que même les éléments les plus basiques de la mécanique peuvent bénéficier d'innovations significatives pour répondre aux défis technologiques contemporains.