Guide pour la conception de la rainure de clavette de l'arbre, le calcul et la sélection de la taille de la clavette de l'arbre

Sélection de clé d'arbre est crucial pour éviter une défaillance prématurée sur les joints clavetés . La rainure de clavette et les clavettes de l'arbre sont utilisées pour transmettre le couple des arbres aux éléments de transmission mécaniques tels que les engrenages, les poulies, etc. à l'aide d'un joint à clavette. Ils peuvent être fabriqués à l'aide d'un matériau standard tel que le stock de clés ou usinés sur mesure pour s'adapter à l'application.

Généralement, le diamètre nominal de l'arbre est utilisé pour spécifier la taille de la clé selon diverses normes telles que BS4235 et la clé rectangulaire largement disponible est utilisée pour la plupart des applications. De cette façon, un joint à clé est surdimensionné pour résister à toutes les charges et les normes ne spécifient pas le matériau de la clé ou les limites du joint. Mais une attention particulière doit être portée car parfois même la plus grande clé échoue en raison d'une erreur de calcul imprévue, sans oublier qu'une clé plus longue ou plus grande affaiblit également l'arbre.

En supposant que la taille de l'arbre et l'élément ont été conçus pour s'adapter au couple et à la résistance à la flexion, il est crucial de s'assurer que la clé sélectionnée convient à cette spécification pour une transmission mécanique sûre. Parfois, la clé d'arbre est sélectionnée pour échouer à une limite protégeant l'arbre, l'engrenage et d'autres éléments. Dans ce cas, le joint claveté fonctionne comme une mèche de scarification.

Critères de sélection de clé d'arbre

Plongeons-nous dans les critères de sélection importants à considérer lors du choix d'un joint à clé. Les 8 facteurs critiques suivants doivent être pris en compte lors de la conception et de la sélection d'une clavette.

Le type de clé ou le type de joint est généralement choisi au cours de la phase conceptuelle tardive ou de la phase de conception du mode de réalisation précoce de la conception du produit. Mais pendant la configuration de conception ou les étapes de conception détaillée de la conception du produit, le joint claveté doit être évalué pour les ruptures de contrainte de cisaillement et de compression.

Types de clés

Il existe quatre principaux groupes de clés d'arbre disponibles, à savoir, clé enfoncée, clé de selle, clé tangente et clés rondes . Chacun a des caractéristiques et des capacités de charge différentes; par conséquent, la clé d'arbre correcte doit être sélectionnée pour l'application en fonction de ses caractéristiques et avantages.

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• Parfois, le diamètre de l'arbre est dicté par d'autres éléments tels que la résistance à la flexion, l'installation des roulements, etc. Dans ce cas, la clavette peut être dimensionnée plus petite pour s'adapter au couple plutôt qu'au diamètre de l'arbre.

Matériel clé

En règle générale, les clés d'arbre sont fabriquées en acier à teneur moyenne en carbone ou acier inoxydable . Mais ils peuvent être fabriqués à partir de nombreux types de matériaux différents tels que l'alliage d'aluminium, le bronze, le cuivre et le laiton pour s'adapter à différents environnements d'application. Par exemple, des clavettes en laiton ou en bronze pour les arbres d'hélices marins et des aciers inoxydables pour les équipements de restauration.

Généralement, l'acier à clé est fourni conformément aux normes BS46 et BS4235 et est un acier au carbone moyen non allié avec une résistance à la traction raisonnable. Les aciers à carbone moyen non alliés avec une teneur en carbone allant de 0,25% à 0,60% sont utilisés en raison de leurs combinaisons idéales de résistance, de ténacité et de bonnes caractéristiques d'usinage. Le tableau suivant fournit une liste de certains matériaux de clé d'arbre courants avec leur résistance ultime à la traction (UTS).

Généralement, lors des calculs, la résistance à la compression et au cisaillement admissible est calculée à partir de l'UTS en utilisant un facteur de sécurité approprié et des théories de défaillance telles que la théorie de la contrainte de cisaillement maximale.

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• L'acier de qualité le plus populaire est l'AISI 1045 (équivalent C45, EN8, 080M40), qui peut être durci en chauffant le matériau à environ 820-850C (1508-1562 F) pour augmenter l'UTS.
• Assurez-vous que la corrosion galvanique est prise en compte si vous utilisez d'autres matériaux.
• Les clés fabriquées selon les normes britanniques doivent être fabriquées en acier conforme à la norme BS 970 avec une résistance à la traction d'au moins 550 MN/m2.

Type de chargement

Parfois, des défaillances prématurées se produisent même lorsque la clavette est surdimensionnée pour le couple maximal transféré. Cela est dû à des types de charge imprévus tels que des chocs, des impacts ou des forces induites par une rotation bidirectionnelle. Les moteurs à vitesse variable voient également des fluctuations de charge pendant leurs phases d'accélération et de décélération au cours desquelles les forces sur la touche changent.

Bien que la plupart des clés ne conviennent pas aux charges directionnelles alternées (changements de sens de rotation de CW à CCW ou vice versa), les rainures de clavette sont toujours utilisées dans de telles applications. Si la direction ne change pas fréquemment, la rainure de clavette peut être utilisée en toute sécurité, mais une attention particulière doit être accordée aux charges de fatigue et aux couples d'accélération.

\(T_m =(T_L + T_a) \)

\(T_a =JA\)

• \(T_m \) – Couple total requis
• \(T_L \) - Couple de charge
• \(T_a \) – Couple d'accélération
• \(J \) – Moment d'inertie
• \(A \) – Taux d'accélération

S'il y a une charge de choc axiale ou radiale sur l'élément qui a été connecté, il faut prendre soin de supporter les charges de choc axiales et radiales externes. Cela permet de s'assurer que la clé ne transfère le couple que dans le sens de rotation.

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• • Placer la rainure de clavette en ligne avec la force radiale agissant sur l'élément.
  • La plupart des clés ne conviennent pas aux charges et aux chocs directionnels alternés.

Ajustement correct

Il est essentiel d'avoir le bon ajustement entre la rainure de clavette de l'arbre, la clavette et la rainure de clavette du moyeu. Des normes telles que BS 46, ANSI B17.1-1967 ou JIS B 1301-1996 spécifient les tailles et les tolérances des clavettes et des rainures de clavette.

Généralement, il existe deux classes de stock disponibles pour les clés enfoncées, principalement les clés parallèles. Toutes les normes reconnaissent cela et spécifient des tolérances pour les rainures de clavette afin que l'on puisse avoir deux à quatre classes d'ajustements.

Les quatre classes d'ajustement traitées dans cette norme sont destinées à répondre aux différentes exigences suivantes :

Liquidation/Ajustement libre - Il s'agit d'un ajustement relativement libre où le moyeu doit glisser sur la clé lors de l'utilisation et ne s'applique qu'aux clés parallèles. (En utilisant des clés de stock de barre et des tolérances de siège de clé)

Ajustement normal/latéral – Il s'agit d'un ajustement relativement serré où la clé doit être insérée dans la rainure de clavette avec un ajustement minimum, comme cela est requis pour l'assemblage de production en série.

Ajustement près du corps – Lorsqu'un ajustement précis de la clé est requis. Dans cette classe, le raccord sera requis dans des conditions matérielles maximales, et s'il est nécessaire d'obtenir ces conditions, une sélection de composants peut être nécessaire.

Ajustement serré – lorsqu'un ajustement est requis de sorte qu'il n'y ait aucun jeu entre la clavette et la rainure de clavette dans l'arbre et le moyeu. Dans cette classe d'ajustement, un ajustement à la main sera nécessaire.

Spécification des clés et des rainures de clavette

L'ajustement affectera la durée de vie de la rainure de clavette et le facteur suivant doit être pris en compte lors du calcul. La corrosion de contact due à la flexion rotative et/ou à l'oscillation de torsion a été prouvée dans de nombreux tests d'endurance et est généralement le facteur crucial qui conduit à la défaillance de la connexion arbre-moyeu.

Facteur de fatigue et de sécurité des personnes

Comme tout autre calcul mécanique, le facteur de sécurité est un élément clé du calcul, de la spécification et de la conception d'un joint claveté dans la transmission de puissance mécanique. La relation entre la contrainte admissible et la limite d'élasticité minimale spécifiée selon le code AISC est la tension