Chaque joint de fixation filetée est confronté au même ennemi tout au long de sa durée de vie : une perte progressive de la force de serrage causée par les vibrations, les cycles thermiques ou le tassement de la surface. Les rondelles de blocage ont été développées pour lutter contre cette perte en générant une pression de ressort et, dans les conceptions dentées, en creusant dans les surfaces de contact pour résister à la rotation. Au sein de la famille des dents, deux géométries dominent les catalogues de matériel industriel et grand public : la rondelle de blocage à dents externes , avec des dents courbées vers l'extérieur autour de la jante, et le rondelle de blocage à dents interne , avec des dents inclinées vers l'intérieur vers l'alésage. Les deux accomplissent la même tâche vaste, mais le placement de ces dents modifie la façon dont la force est appliquée, l'endroit où le contact se produit et les articulations qui conviennent le mieux à chaque conception.
Cette distinction est plus importante qu’il n’y paraît à première vue. Un ingénieur en fixations qui choisit entre les deux ne choisit pas une variante esthétique ; ils sélectionnent où sur la face de la rondelle la morsure se produira, quelle partie de la surface de contact sera marquée et comment la rondelle se comportera sous des couples et des vibrations répétés. Comprendre le placement des dents, la répartition de la charge et l'intention de conception permet à un acheteur ou à un concepteur de faire correspondre la bonne rondelle au bon joint au lieu de choisir par défaut la pièce qui se trouve sur l'étagère.
La confusion entre les deux modèles est compréhensible car, de loin, les deux ressemblent à un anneau métallique avec un bord dentelé. Ce n’est que lorsqu’une personne en prend une et la tourne à la lumière que la direction des dents devient évidente, et même dans ce cas, les conséquences pratiques de cette direction ne sont pas toujours intuitives sans une certaine connaissance de la manière dont les articulations serrées échouent réellement. Un joint boulonné ou vissé se desserre rarement car la fixation elle-même se dévisse d'elle-même sous une charge constante et inchangée. Le plus souvent, le desserrage commence par un petit mouvement relatif entre la tête de fixation, la rondelle et la surface située en dessous, souvent déclenché par des vibrations, une dilatation et une contraction thermiques, ou un léger tassement des matériaux serrés peu de temps après l'assemblage. Une fois que ce premier mouvement apparaît, la friction sur les surfaces de contact diminue juste assez pour que la fixation commence à tourner par petits incréments, et chaque incrément s'aggrave jusqu'à ce que le joint ait perdu de manière mesurable sa force de serrage.
Les rondelles de blocage dentées interrompent cette chaîne d'événements en donnant au joint un point d'appui mécanique en plus de la friction qui ferait autrement tout le travail. Au lieu de compter uniquement sur la friction superficielle entre la tête du boulon et la rondelle, ou entre la rondelle et le substrat, les dents mordent physiquement dans les deux surfaces, créant de petits verrouillages mécaniques qui résistent au tout premier mouvement de rotation avant qu'il ne puisse commencer. Étant donné que c’est ce premier mouvement qui déclenche la cascade de descellement, son arrêt précoce a un effet démesuré sur la fiabilité de l’articulation à long terme par rapport à ce que pourrait suggérer la petite taille des dents.
La différence physique fondamentale entre les deux types de rondelles est simple à énoncer mais a de vastes conséquences. Une rondelle dentaire externe comporte des dents formées le long de son diamètre extérieur, tordues de sorte que chaque dent présente un bord tranchant légèrement incliné par rapport au plan de la rondelle. Une rondelle dentaire interne inverse cet arrangement : les dents sont estampées le long du diamètre intérieur, près de la tige du boulon ou du corps de la vis, et s'inclinent vers l'intérieur.
Étant donné que la rondelle dentaire externe mord au niveau du bord extérieur, elle engage un cercle de contact plus large contre la surface d'appui sous la tête du boulon ou l'écrou. Ce cercle plus large répartit la résistance à la rotation sur un arc plus grand, ce qui tend à être particulièrement utile sur les matériaux plats et plus souples tels que les boîtiers en tôle, les panneaux peints ou les boîtiers en alliage plus léger. La rondelle dentaire interne, en revanche, concentre sa morsure immédiatement autour de la tige, ce qui maintient la face extérieure de la rondelle relativement peu marquée et est souvent préférée lorsque la finition de surface visible autour de la fixation est importante, comme sur les panneaux décoratifs, les boîtiers d'appareils ou les joints où le bord extérieur se trouve à proximité d'un autre composant et ne peut pas tolérer des dents saillantes.
Le nombre et l’angle des dents jouent également un rôle de soutien. La plupart des modèles estampés placent entre huit et une douzaine de dents autour de l'anneau, chacune légèrement tordue hors du plan de sorte que, sous compression, elles agissent comme de petits ressorts en porte-à-faux ainsi que comme des arêtes coupantes. Lorsque la fixation est serrée, les dents s'aplatissent d'abord légèrement, emmagasinant l'énergie du ressort, puis mordent dans la surface lorsque la force de serrage maximale est atteinte. Cette double action, en partie ressort et en partie tranchant, est la raison pour laquelle les rondelles dentées sont parfois regroupées dans la famille plus large des rondelles de blocage aux côtés des modèles à bague fendue, même si le mécanisme de résistance au desserrage est sensiblement différent. Une rondelle à anneau fendu repose presque entièrement sur la tension du ressort stockée qui repousse les filetages de fixation, tandis qu'une rondelle dentée ajoute une morsure mécanique en plus de la tension du ressort fournie par le processus d'estampage.
La sélection du matériau interagit également avec le placement des dents. Sur un substrat plus dur tel qu'un acier de construction épais, les conceptions de dents externes et internes auront du mal à mordre profondément, et la différence de performances pratiques entre elles se rétrécit car aucune des deux conceptions ne parvient à s'enfoncer en profondeur dans le matériau de base. Sur un substrat plus mou tel qu'une tôle d'aluminium ou un panneau de boîtier peint, la différence devient beaucoup plus prononcée, puisque les dents peuvent s'enfoncer dans le matériau plutôt que de simplement rayer la surface. C'est l'une des raisons pour lesquelles les assembleurs expérimentés traitent le choix des rondelles dentées comme une décision spécifique au joint plutôt que comme une norme globale appliquée à chaque fixation d'une conception.
C'est dans la répartition de la charge que les conséquences pratiques du placement des dents deviennent les plus claires. Une rondelle sous une fixation serrée ne fait pas que résister à la rotation ; il répartit également la force de serrage de la tête de boulon ou de l'écrou sur le matériau sous-jacent afin que la contrainte ne se concentre pas en un seul petit point. Le diamètre auquel les dents entrent en contact modifie le rayon de cette propagation.
Étant donné que les dents externes ont le plus grand diamètre disponible pour une taille de rondelle donnée, elles répartissent l'occlusion sur une circonférence plus large, ce qui réduit la pression sur n'importe quelle dent pour la même force de serrage. Les dents internes, positionnées à un rayon plus petit, concentrent plus de force par dent pour le même couple, ce qui augmente la profondeur de morsure locale mais augmente également le risque de marquage de surface directement autour de l'alésage sur des matériaux plus durs ou plus fins.
Ces chiffres sont plus illustratifs que des mesures de laboratoire, mais ils représentent un modèle systématiquement observé dans la pratique de l'assemblage de joints : les rondelles avec un contact plus large répartissent la contrainte de serrage sur une plus grande empreinte, ce qui réduit le risque de déformation de la surface sous-jacente ou d'enfoncement de la fixation dans un matériau plus mou au fil du temps.
La répartition de la charge a également un effet secondaire qu'il est facile de négliger : elle influence la manière dont les pièces serrées reposent les unes sur les autres une fois que le joint est complètement serré. Une rondelle qui concentre sa pression d'appui dans un anneau étroit peut créer une légère tendance à bascule si la surface environnante n'est pas parfaitement plane, car le chemin de charge passe par une petite bande de contact plutôt que d'être amorti sur une zone plus large. Une empreinte de roulement plus large a tendance à égaliser les petites irrégularités de surface, ce qui explique en partie pourquoi les conceptions de dents externes sont souvent spécifiées sur les assemblages où le panneau d'accouplement peut présenter une ondulation mineure due aux tolérances de fabrication, comme les couvercles en tôle emboutie ou les sections de boîtier extrudées.
Il y a cependant un compromis à noter. La répartition de la charge sur une zone plus large réduit la pression maximale sur n'importe quelle dent, ce qui permet d'éviter les dommages de surface, mais peut également signifier une profondeur de morsure moyenne plus faible par rapport à une conception qui concentre la même force de serrage dans un anneau plus petit. Il s'agit du principal compromis mécanique entre les deux types de rondelles : les conceptions de dents externes favorisent un engagement large et doux, adapté à la protection de la surface environnante, tandis que les conceptions de dents internes favorisent une morsure plus serrée et plus concentrée, adaptée pour résister à la rotation dans un encombrement réduit. Aucune des deux approches n’est universellement plus forte ; chacun se déplace simplement à l'endroit où se trouve l'articulation sur la courbe pression/surface.
Les deux modèles de dents sont commercialisés principalement pour leur capacité à résister au desserrage sous l'effet des vibrations, mais la façon dont chacune résiste au cours d'un cycle prolongé diffère légèrement en raison de l'endroit où se produit la morsure par rapport à l'axe de la fixation. Les dents positionnées plus près de la tige du boulon sur une rondelle dentaire interne se situent plus près du point de pivotement de tout micro-mouvement de rotation, ce qui leur confère un avantage mécanique en matière de résistance en début de cycle. Les dents positionnées plus loin sur une rondelle dentaire externe bénéficient d'un bras de levier plus long, ce qui peut se traduire par une rétention plus stable à long terme une fois que l'occlusion initiale s'est installée dans la surface.
Les courbes présentées ici reflètent un modèle généralisé observé dans de nombreuses études conjointes plutôt qu'une garantie fixe : les rondelles dentaires internes commencent souvent par une morsure précoce légèrement plus forte en raison du bras de levier plus court près de la tige, tandis que les rondelles dentaires externes ont tendance à se dégrader plus progressivement car leur rayon de morsure plus large résiste au desserrage même après une usure partielle des dents individuelles. Aucun des deux modèles ne rend un modèle universellement supérieur ; le bon choix dépend de la question de savoir si le joint est censé subir des vibrations précoces intenses, comme lors du rodage initial de l'équipement, ou un cycle régulier à long terme, comme dans le cas de machines fonctionnant en continu.
Les rondelles dentées ne sont pas non plus destinées à compenser une fixation mal spécifiée. Si le diamètre du boulon ou de la vis est sous-dimensionné pour la charge, ou si les matériaux serrés sont trop mous pour maintenir le couple, aucune géométrie de dent ne compensera complètement ce décalage. Il s'agit d'un raffinement posé sur un joint par ailleurs correctement dimensionné, et ne remplace pas un dimensionnement correct des fixations.
Les choix de conception de fixations se résument rarement à une seule propriété. Les ingénieurs évaluent ensemble la dureté de la surface, la visibilité du joint fini, le jeu radial disponible et le profil de vibration attendu. Le tableau ci-dessous résume les points de décision courants tirés de la pratique des assemblées générales.
| Considération | Rondelle de dent externe | Rondelle de dent interne |
|---|---|---|
| Rayon de morsure | Bord extérieur, large circonférence | Alésage intérieur, proche de la tige |
| Marquage des surfaces | Anneau de marquage lumineux plus large | Petit anneau proche de l'alésage |
| Meilleur sur | Matériaux en feuilles souples ou minces | Pièces d'accouplement plus dures et plus épaisses |
| Impact de finition visible | Plus visible au bord | Principalement caché sous la tête du boulon |
| Utilisation typique | Boîtiers de panneaux, supports | Bornes électriques, petits assemblages |
| Besoin de dédouanement | Nécessite de l'espace sur la jante | S'adapte aux zones d'alésage plus étroites |
Les boîtiers et les supports structurels, qui sont souvent fabriqués à partir de tôles plus fines, penchent vers des conceptions à dents externes car la morsure plus large répartit la force de serrage sans déformer le panneau. Les bornes électriques et les boîtiers compacts, dont la face visible doit rester propre et l'espace autour de l'alésage limité, penchent vers des conceptions à dents internes. Aucun des deux modèles n’est une règle stricte ; il reflète la logique générale qui guide la sélection une fois les deux comportements mécaniques compris.
Les joints de mise à la terre et de liaison sont l'un des endroits les plus courants où les rondelles dentées apparaissent en dehors de la fixation structurelle générale. Étant donné que les dents coupent en raison d'une légère oxydation de surface lorsqu'elles mordent, les deux modèles sont généralement spécifiés dans les applications de collage, le choix étant généralement déterminé par l'espace disponible autour de la cosse.
Un seul chiffre raconte rarement l'histoire complète d'un composant de fixation, c'est pourquoi une comparaison multi-attributs est souvent plus utile pendant le processus de sélection. Le graphique radar ci-dessous présente cinq attributs généralement comparés : la résistance aux vibrations, la protection de la surface, la résistance aux morsures des bords, la facilité d'alignement lors de l'assemblage et la rentabilité générale pour des volumes de production typiques.
Les rondelles de dents externes ont tendance à obtenir de meilleurs résultats en termes de résistance aux vibrations et de rentabilité, car le rayon de morsure plus large résiste bien au desserrage et le processus d'estampage des dents externes est généralement plus simple en termes de volume. Les rondelles dentées internes ont tendance à obtenir de meilleurs résultats en termes de protection de surface et de facilité d'alignement, car le profil extérieur plus petit maintient la jante dégagée du matériel environnant et les dents s'auto-centrent plus naturellement autour de la tige pendant l'assemblage. La résistance à la morsure des bords est proche entre les deux, l'avantage variant en fonction de la dureté du matériau d'accouplement.
La lecture d'un tableau comme celui-ci est particulièrement utile lorsque les attributs sont pondérés en fonction du joint spécifique à concevoir plutôt que traités comme étant d'égale importance dans chaque application. Un concepteur travaillant sur un support structurel extérieur, où la résistance aux vibrations et la fiabilité à long terme l'emportent sur les préoccupations esthétiques, se tournera naturellement vers les attributs pour lesquels les conceptions de dents externes obtiennent de meilleurs résultats. Un concepteur travaillant sur un boîtier électronique compact, où la couture visible autour de chaque vis est importante pour le produit fini et où l'espace radial disponible est restreint, accordera plus d'importance à la protection de la surface et à la facilité d'alignement et s'orientera plutôt vers des conceptions de dents internes. Le graphique est un point de départ pour cette conversation, et non un verdict final, puisque les projets réels équilibrent généralement plusieurs de ces attributs les uns par rapport aux autres simultanément plutôt que d'en optimiser un seul.
La sélection de la bonne géométrie dentaire ne représente que la moitié d’un assemblage réussi. Quelques contrôles pratiques réduisent les risques de sous-performance d'une laveuse une fois installée :
Ces contrôles sont une pratique courante lors des travaux d'assemblage général et s'appliquent quelle que soit la géométrie de dent finalement sélectionnée. Les ignorer est une cause plus fréquente de desserrage des joints que de choisir le mauvais type de rondelle en premier lieu.
Ils sont généralement utilisés un à la fois plutôt qu'empilés, car chacun est déjà conçu pour fournir suffisamment de mordant à lui seul et l'empilage ajoute une hauteur de joint inutile sans gain proportionnel en puissance de maintien.
Le placement des dents affecte principalement la façon dont la force de serrage est répartie une fois la fixation serrée plutôt que le couple requis pour atteindre cette force de serrage, bien qu'une friction légèrement plus élevée puisse se produire lorsque les dents commencent à mordre.
Ils peuvent être utilisés sur des surfaces revêtues, mais les dents briseront généralement le revêtement au niveau des points de contact, ce qui est un comportement attendu puisque la morsure dépend de l'atteinte du matériau de base en dessous.
Les rondelles dentées internes ont tendance à s'auto-centrer plus facilement autour de la tige du boulon, ce qui peut légèrement accélérer l'alignement lors d'un assemblage répétitif par rapport au contact de la jante extérieure des conceptions de dents externes.
Ils réduisent le risque de desserrage dû aux vibrations, mais ne remplacent pas les composés frein-filet dans les joints où la rétention chimique est spécifiquement requise par l'application.
