Clavettes d'arbre : types, dimensions, matériaux, formules de conception et calculs

Les liaisons par clavette sont réalisées en usinant des rainures de clavette sur l'arbre et le moyeu, puis en insérant un élément appelé « clavette ». Bien que de petite taille, la clavette d'arbre joue un rôle majeur dans la transmission mécanique. Une clavette est un élément mécanique utilisé pour fixer des arbres et des engrenages en rotation. Elle sert principalement à transmettre le couple en assurant la liaison circonférentielle des composants sur l'arbre. Certaines clavettes assurent aussi un blocage axial ou permettent un déplacement axial, comme la liaison entre engrenages et arbres dans les réducteurs. Bien que discrète, la clavette est cruciale dans la transmission de puissance. Examinons de près la clavette d'arbre : ses types, dimensions, matériaux et conception !

Qu'est-ce qu'une clavette d'arbre ?

La clavette d'arbre, aussi appelée clavette de moteur, est une courte barre qui relie deux pièces en rotation (généralement un arbre et un moyeu), fabriquée en matériaux haute résistance pour transmettre le couple. Sa fonction est d'unir deux pièces en un seul corps tournant tout en permettant la rotation autour de l'axe sans glissement ni désalignement, garantissant la précision et la fiabilité de la transmission. Les clavettes d'arbre sont couramment utilisées dans les systèmes mécaniques tels que l'automobile, la moto, les machines agricoles et les engins de chantier.

Types de clavettes d'arbre (schémas, caractéristiques et usages)

Dans divers types de transmission mécanique, différents types de clavettes jouent un rôle important dans la conception et l'application des machines. Les concepts de base des liaisons par clavette incluent les clavettes plates, clavettes Woodruff, clavettes coniques et clavettes tangentielles, chacune avec ses propres caractéristiques et domaine d'application. Explorons-les en détail avec schéma, caractéristiques et application de chaque type :

1. Clavette plate (clavette parallèle enfoncée)

La clavette plate standard, aussi appelée clavette parallèle, est un type de clavette enfoncée, utilisée pour des liaisons fixes, sans déplacement axial relatif entre l'arbre et le moyeu. Les deux surfaces latérales sont les surfaces de travail, tandis qu'il y a un jeu entre la surface supérieure et le fond de la rainure du moyeu. En fonctionnement, le couple est transmis par la compression des surfaces latérales de la rainure d'arbre, de la clavette et de la rainure de moyeu. C'est une clavette rectangulaire ou carrée sans conicité, utilisée quand le moyeu doit coulisser sur l'arbre. La clavette plate est facile à fabriquer, commode à monter et démonter, assure un bon alignement entre l'arbre et les composants montés sur arbre, mais ne peut pas bloquer le déplacement axial du composant monté.

Les clavettes plates standard se divisent en trois types selon la forme des extrémités : bout arrondi (A), bout carré (B), bout rectangulaire, simple bout arrondi (C) :

• Clavette plate rectangulaire enfoncée
• Clavette carrée enfoncée
• Clavette à bouts arrondis (double ou simple arrondi)

2. Clavette Woodruff (clavette demi-lune enfoncée)

La clavette Woodruff a une forme de demi-lune, s'adapte à toute conicité du moyeu. Sa profondeur supplémentaire dans l'arbre empêche tout basculement dans la rainure, mais la profondeur de la rainure affaiblit l'arbre. La clavette Woodruff est généralement utilisée avec un journal d'arbre conique pour transmettre le couple. La rainure est usinée avec une fraise de même forme que la clavette demi-lune, lui permettant de pivoter autour de son centre géométrique dans la rainure. Les surfaces latérales de la clavette sont les surfaces de travail, transmettant le couple par compression latérale. La rainure est fraisée avec un outil disque, et la clavette elle-même est semi-circulaire. La forme demi-ronde est bonne pour la fabricabilité, le montage facile, et particulièrement adaptée aux liaisons sur bout d'arbre conique. Mais la rainure d'arbre réduit significativement la résistance de l'arbre ; seulement adaptée aux liaisons faiblement chargées.

3. Clavettes sur plat (clavette conique)

Les surfaces de travail d'une clavette conique sont sur ses faces supérieure et inférieure. Sa face supérieure a une conicité 1:100, et la face inférieure de la rainure de moyeu est également conçue avec cette conicité. Quand la clavette conique est insérée dans les rainures d'arbre et de moyeu, une force de pré-serrage importante est générée sur ses surfaces. En fonctionnement, la clavette conique repose principalement sur le frottement pour transmettre le couple et peut supporter une force axiale unidirectionnelle. Cependant, elle peut provoquer un excentration entre l'arbre et le moyeu, la rendant plus adaptée aux liaisons où la précision de centrage n'est pas critique, la charge est stable et la vitesse faible.

De plus, les clavettes coniques peuvent être subdivisées en clavettes coniques standard, clavettes sur plat creuses et clavettes coniques à tête de gib.

• Clavette sur plat plate – repose à plat sur l'arbre
• Clavette sur plat creuse – le fond de la clavette épouse la surface courbe de l'arbre
• Clavette sur plat à tête de gib – dispose d'un crochet pour faciliter le démontage

4. Clavette à tête de gib (clavette enfoncée)

La clavette conique à tête de gib est un type spécial de clavette conique, avec une tête en forme de crochet conçue pour la maintenir plus efficacement dans les rainures d'arbre et de moyeu. La tête de gib facilite le démontage de la clavette. Ce design améliore non seulement la stabilité de la liaison mais réduit aussi l'excentration entre l'arbre et le moyeu, améliorant ainsi la précision de la liaison. Par conséquent, les clavettes coniques à tête de gib sont particulièrement adaptées aux applications exigeant une haute précision de centrage et des liaisons sûres, comme les assemblages mécaniques sous rotation rapide et charges lourdes.

5. Clavette à glissement (clavette enfoncée)

La clavette à glissement est fixée soit à l'arbre soit au moyeu et permet aussi un déplacement axial. Les surfaces latérales de la clavette sont les faces de travail ; elle transmet l'effort par les côtés, assure un bon alignement, et est facile à monter et démonter. Elle ne fournit pas de blocage axial. La clavette est fixée à l'arbre par des boulons, et un trou fileté central sert à extraire la clavette. Elle est utilisée quand le composant d'arbre se déplace légèrement le long de l'arbre, comme les engrenages coulissants dans les boîtes de vitesses.

6. Clavette cylindrique (clavette d'arbre ronde)

La clavette cylindrique, de corps cylindrique, s'insère dans des trous percés dans le moyeu et l'arbre ; la plus adaptée aux transmissions de faible puissance. La clavette cylindrique est une forme courante de clavette de moteur. Elle est cylindrique et correspond aux rainures de l'arbre de moteur et du composant de transmission. Elle est facile à installer et peut supporter un couple considérable. Les clavettes cylindriques peuvent aussi être conçues comme goujons droits ou coniques pour répondre à différents besoins.

• Clavette goujon droit
• Clavette goujon conique

7. Clavette tangentielle

La clavette tangentielle s'insère dans les rainures du moyeu et de l'arbre ; elle est utilisée par paires à angle droit l'une de l'autre. Chaque clavette ne supporte le couple que dans un sens et est utilisée sur les gros arbres lourds. Composée de deux clavettes en coin avec conicité 1:100, les faces supérieure et inférieure forment ensemble la surface de travail, capable de transmettre un couple important. Une seule paire de clavettes tangentielles ne peut transmettre le couple que dans un sens, tandis que deux paires disposées à 120°–135° servent pour le couple bidirectionnel. Elles sont utilisées dans les applications à forte charge où le centrage n'est pas critique. Les clavettes tangentielles génèrent le couple par pression tangentielle et peuvent aussi supporter de petites forces axiales unidirectionnelles.

Elles sont principalement utilisées quand seule la transmission de couple unidirectionnel est requise, ou dans les cas bidirectionnels, deux paires de clavettes tangentielles sont disposées à une certaine distance. En raison de leur capacité à transmettre de gros couples, les clavettes tangentielles sont courantes dans les machines lourdes.

8. Clavettes cannelées

Arbre + Clavette intégrée = Arbre cannelé, qui permet le déplacement axial (couramment utilisé dans les transmissions à engrenages coulissants). Une liaison cannelée consiste en plusieurs dents de clavette réparties uniformément autour de l'arbre et de l'alésage du moyeu, les flancs des dents agissant comme surfaces de travail. Ce type de liaison offre une haute capacité de charge, un bon centrage et guidage, avec un affaiblissement minimal de la résistance de l'arbre et du moyeu. Elle est particulièrement adaptée aux liaisons de centrage de haute précision, forte charge, nécessitant un coulissement fréquent, comme les engrenages coulissants dans les transmissions. Les cannelures se classent en cannelures rectangulaires, triangulaires et à évolvente selon la forme des dents.

• Cannelure rectangulaire : Facile à fabriquer par fraisage, taillage, brochage ou étirage. Après rectification, haute précision atteignable. Les normes définissent deux séries : service léger (faibles charges) et service moyen (charges modérées). Largement utilisée dans l'aéronautique, l'automobile, les tracteurs, machines-outils, machines agricoles et dispositifs de transmission mécanique générale.
• Cannelure à évolvente : Profil de dent à évolvente. Sous charge, les forces radiales assurent l'auto-centrage, garantissant une contrainte uniforme sur les dents, haute résistance et longue durée de vie. Fabrication identique aux engrenages, permettant haute précision et interchangeabilité. Angles de pression standard αD de 30°, 37.5° et 45°, utilisés pour liaisons forte charge, centrage haute précision, grandes tailles.

Tableaux des dimensions des clavettes et rainures (dimensions, tolérances)

Pour assurer un ajustement serré entre clavettes et autres composants, elles doivent respecter des dimensions standard :

• Diamètre : doit être égal ou légèrement inférieur au diamètre du trou correspondant, généralement 0.01–0.05 mm plus petit
• Longueur : doit être légèrement supérieure à la distance entre les pièces liées. Généralement, la longueur de clavette = épaisseur de la pièce de liaison + 1–2 mm
• Rayon de congée : pour éviter dommages ou fissures dus aux arêtes vives, rayons de 0.5–1 mm aux deux extrémités
• Tolérances : pour assurer un ajustement serré, tolérances de fabrication contrôlées dans les classes h6, h7 ou h8

Pour vous aider à mieux comprendre les dimensions des clavettes et obtenir rapidement certaines spécifications courantes, voici les tableaux de dimensions pour les types de clavettes d'arbre courants :

Tableau des clavettes plates (clavette parallèle d'arbre et dimensions de rainure)

Diamètre arbre d	Taille clavette nominale	Profondeur rainure arbre t₁	Profondeur rainure moyeu t₂	Rayon d'arrondi	b (h9)	h (h11)	c ou r	L (h14)	Nom.	Tolérance	Nom.	Tolérance	Min	Max
6–8	2	2	0.16–0.25	6–20	1.2	+1.0/+0.1	0.08	0.16
>8–10	3	3	6–36	1.8	1.4
>10–12	4	4	6–36	2.0	1.8
>12–17	5	5	0.25–0.4	14–56	2.8	2.3	0.16	0.25
>17–22	6	6	14–70	3.5	2.8
>22–30	8	7	18–90	4.0	+3.3/+0.2
>30–38	10	8	0.4–0.6	22–100	5.0	0.2	3.9	0.25	0.4
>38–44	12	8	28–140	5.0	3.3
>44–50	14	9	36–160	5.5	3.8
>50–58	16	10	45–180	6.3	4.3
>58–65	18	11	50–200	7.0	4.4
>65–75	20	12	0.6–0.8	56–250	7.5	5.4	0.4	0.6
>75–85	22	14	63–250	9.0	5.4
>85–95	25	14	70–280	9.0	5.4
>95–110	28	16	80–320	10.0	6.4
>110–130	32	18	90–360	11.0	7.4
>130–150	36	20	1.0–1.2	100–400	12.0	+8.4/+0.3	0.7	1.0
>150–170	40	22	100–400	13.0	0.3	9.4
>170–200	45	25	110–450	15.0	10.4
>200–230	50	28	125–500	17.0	11.4
>230–260	56	28	1.6–2.0	140–500	20.0	12.4	1.2	1.6
>260–290	63	32	160–500	20.0	12.4
>290–330	70	36	180–500	22.0	14.4
>330–380	80	40	2.5–3.0	200–500	25.0	15.4	2.0	2.5
>380–440	90	45	220–500	28.0	17.4
>440–500	100	50	250–500	31.0	19.5

Série L : 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 25, 28, 32, 36, 40, 45, 50, 56, 63, 70, 80, 90, 100, 125, 140, 160, 180, 200, 220, 250, 280, 320, 360, 400, 450, 500

Tableau des clavettes Woodruff (clavette demi-lune d'arbre et dimensions de rainure)

Taille clavette (b×h×D)	Largeur b	Hauteur h	Diamètre D	Chanfrein ou rayon s	Nominal	Tolérance	Nominal	h12	Nominal	h12	Min	Max
1×1.4×4	1	—	1.4	0	4	−0.12	0	0
1.5×2.6×7	1.5	—	2.6	−0.10	7	0	0
2×2.6×7	2	—	2.6	0	7	0	0
2×3.7×10	2	—	3.7	0	10	−0.15	0	0
2.5×3.7×10	2.5	—	3.7	−0.12	10	0	0
3×5×13	3	—	5	0	13	0	0
3×6.5×16	3	—	6.5	0	16	−0.18	0	0
4×6.5×16	4	0	6.5	0	16	0	0.16	0.25
4×7.5×19	4	−0.025	7.5	0	19	−0.21	0	0.25	0.40
5×6.5×16	5	—	6.5	0	16	0	0.25	0.40
5×7.5×19	5	—	7.5	−0.15	19	0	0.25	0.40
5×9×22	5	—	9	0	22	0	0.25	0.40
6×9×22	6	—	9	0	22	0	0.25	0.40
6×10×25	6	—	10	0	25	−0.21	0	0.40	0.60
8×11×28	8	—	11	0	28	0	0.40	0.60
10×13×32	10	—	13	−0.18	32	0	0.60	0.90

Tableau des clavettes sur plat (clavette conique plate standard d'arbre et dimensions de rainure)

Largeur b	Tolérance b (h8)	Hauteur h	Tolérance h (h11)	Chanfrein ou rayon c ou r	Taille de base	Limite sup.	Taille de base	Limite sup.
2	0/−0.014	2	0/−0.090	0.16–0.25
3	0/−0.014	3	0/−0.090
4	0/−0.018	4	0/−0.090
5	0/−0.018	5	0/−0.090	0.25–0.40
6	0/−0.022	6	0/−0.090
8	0/−0.027	7	0/−0.090
10	0/−0.027	8	0/−0.090
12	0/−0.033	9	0/−0.090
14	0/−0.033	10	0/−0.090
15	0/−0.033	10	0/−0.090	0.40–0.60
16	0/−0.033	10	0/−0.110
18	0/−0.033	12	0/−0.110
20	0/−0.033	14	0/−0.110
22	0/−0.033	14	0/−0.110	0.60–0.80
25	0/−0.040	16	0/−0.130
28	0/−0.040	16	0/−0.130	1.60–2.00
30	0/−0.046	18	0/−0.130
32	0/−0.046	20	0/−0.130
36	0/−0.046	22	0/−0.130
40	0/−0.054	25	0/−0.160
45	0/−0.054	28	0/−0.160	2.50–3.00
50	0/−0.054	32	0/−0.160

Longueur L (tolérance h14) :
18, 20, 22, 25, 28, 32, 36, 40, 45, 50, 56, 63, 70, 80, 90, 100, 110, 125, 140, 160, 180, 200, 220, 250, 280, 315, 355, 400, 450, 500

Tableau des clavettes à tête de gib (clavette conique à tête de gib d'arbre et dimensions de rainure)

Largeur b	Tolérance (h8)	Hauteur h	Tolérance (h11)	Hauteur tête h₁	Chanfrein ou rayon c ou r	Base	Limite	Base	Limite
4	4	−0.018	4	0/−0.075	10	0.16–0.25
5	5	−0.018	5	0/−0.075	12
6	6	−0.022	6	0/−0.090	14
8	8	−0.022	7	0/−0.090	16	0.25–0.40
10	10	−0.027	8	0/−0.090	18
12	12	−0.027	9	0/−0.090	20
14	14	−0.027	10	0/−0.090	22	0.40–0.60
16	16	−0.033	10	0/−0.110	25
18	18	−0.033	12	0/−0.110	28
20	20	−0.033	14	0/−0.110	32	0.60–0.80
22	22	−0.033	14	0/−0.110	36
25	25	−0.040	16	0/−0.130	40	1.60–2.00
28	28	−0.040	16	0/−0.130	45
30	30	−0.046	18	0/−0.130	50
32	32	−0.046	20	0/−0.130	56
36	36	−0.046	22	0/−0.130	63
40	40	−0.054	25	0/−0.160	70	2.50–3.00
45	45	−0.054	28	0/−0.160	80

Longueur standard L (h14) :
18, 20, 22, 25, 28, 32, 36, 40, 45, 50, 56, 63, 70, 80, 90, 100, 125, 140, 160, 180, 200, 220, 250, 280, 320, 360, 400, 450, 500

Tableau des clavettes tangentielles (clavette tangentielle standard d'arbre et dimensions de rainure)

Diamètre arbre d	Clavette	Profondeur rainure	Largeur rainure	Chanfrein C	Rayon r	Épaisseur h	Largeur b (±h11)	Arbre t1	Moyeu t2	Arbre b1	Moyeu b2	Min	Max	Min	Max
60	18	−0.090	7.0	7.3	19.3	19.6	0.6	0.8	—	—
65	20	−0.090	8.0	8.3	20.1	20.4	0.6	0.8	—	—
70	22	−0.110	8.0	8.3	21.0	21.3	0.6	0.8	—	—
75	25	−0.110	9.0	9.3	23.2	23.5	0.6	0.8	—	—
80	28	−0.090	10.0	10.3	24.0	24.4	0.8	1.0	—	—
85	28	−0.090	10.0	10.3	24.8	25.2	0.8	1.0	—	—
90	30	−0.090	10.0	10.3	26.7	27.0	0.8	1.0	—	—
100	32	−0.110	11.0	11.4	28.0	28.4	1.0	1.2	—	—
110	36	−0.110	12.0	12.4	31.0	31.4	1.0	1.2	—	—
120	40	0	14.0	14.4	34.6	35.1	1.6	2.0	1.0	1.2
140	45	0	16.0	16.4	37.7	38.3	1.6	2.0	1.0	1.2
160	50	0	18.0	18.4	42.0	42.8	1.6	2.0	1.0	1.2
200	56	0	20.0	20.4	49.6	50.3	2.0	2.5	1.6	2.0
250	63	−0.130	22.0	22.4	59.9	60.6	2.5	3.0	2.0	2.5
315	70	0	28.0	28.4	72.1	72.8	3.0	4.0	—	—
400	80	−0.160	36.0	36.4	93.2	94.0	3.0	4.0	3.0	4.0
500	100	−0.220	50.0	50.5	125.9	126.6	5.0	7.0	—	—
630	140	−0.190	63.0	63.5	189.0	189.7	5.0	7.0	3.0	4.0
800	180	0	80.0	80.5	240.0	240.7	7.0	9.0	—	—
1000	200	−0.220	100.0	100.5	300.0	300.7	7.0	9.0	—	—

Tableau des clavettes cannelées (cannelures rectangulaires et dimensions de rainure)

Diamètre arbre d	Série légère	Série moyenne	Spécification N × d × D × B	Chanfrein c	Rayon r	d₁min	αmin	Spécification N × d × D × B	Chanfrein c	Rayon r	d₁min	αmin
11	6×11×14×3	0.2	0.1	—	—	13	6×13×16×3.5	14.4	1.0	16	6×16×20×4	16.6	1.0
18	6×18×22×5	0.3	0.2	19.5	2.0	21	6×21×25×5	21.2	2.0
23	6×23×26×6	0.2	0.1	22	3.5	6×23×28×6	21.2	1.2
26	6×26×30×6	24.5	3.8	6×26×32×6	23.6	1.2
28	6×28×32×7	26.6	4.0	6×28×34×7	25.8	1.4
32	6×32×36×6	0.3	0.2	30.2	2.7	8×32×38×6	29.4	1.0
36	8×36×40×7	34.4	3.5	8×36×42×7	0.4	0.3	33.4	1.0
42	8×42×46×8	40.5	5.0	8×42×48×8	39.4	2.5
46	8×46×50×9	44.6	5.7	8×46×54×9	42.6	1.4
52	8×52×58×10	49.6	4.8	8×52×60×10	48.6	2.5
56	8×56×62×10	0.4	0.3	53.6	6.5	8×56×65×10	52.0	2.5
62	8×62×68×12	59.7	7.3	8×62×72×12	0.5	0.4	57.7	2.4
72	10×72×78×12	69.6	7.3	10×72×82×12	67.7	1.0
82	10×82×98×12	79.3	8.5	10×82×92×12	77.0	2.9
92	10×92×98×11	0.5	0.4	99.6	9.9	10×92×102×14	87.3	4.5
102	10×102×108×16	99.6	11.3	10×102×112×16	0.6	0.5	97.7	6.2
112	10×112×120×16	108.8	10.5	10×112×125×18	106.2	4.1

Matériaux des clavettes d'arbre

En tant que composant important de la transmission mécanique, le choix du matériau de clavette d'arbre est directement lié à la performance et la fiabilité du système mécanique. Les matériaux courants sont :

1. Clavette en acier au carbone

L'acier au carbone est l'un des matériaux les plus utilisés pour les clavettes. Il offre haute résistance et résistance à l'usure, supportant de fortes charges et chocs. Les clavettes en acier au carbone sont le premier choix pour les machines lourdes et les scénarios supportant de fortes charges. De plus, leur coût relativement bas en fait un choix économiquement avantageux.

2. Clavette en acier inoxydable

Les clavettes inoxydables performent bien en environnements humides ou corrosifs. Leur excellente résistance à la corrosion permet de maintenir une performance stable longtemps dans des conditions difficiles. Bien que leur coût soit supérieur à l'acier au carbone, elles sont plus adaptées aux applications exigeant stabilité à long terme et résistance à la corrosion.

3. Clavettes en métaux non ferreux

Les clavettes en métaux non ferreux, comme le cuivre ou l'aluminium, ont des avantages dans certaines applications spécifiques. Par exemple, quand la conductivité est requise, les clavettes en cuivre sont utilisées pour leur bonne conductivité. Pour la légèreté, les clavettes en aluminium sont privilégiées pour leur faible densité et poids.

Nuances de matériaux pour clavettes d'arbre

1. L'acier 45# est un matériau courant pour clavettes, avec haute résistance, résistance à l'usure et bon rapport qualité-prix.
2. L'acier 40Cr a haute résistance et dureté, adapté aux couples intenses et frottements.
3. L'acier 42CrMo a haute résistance et ténacité, bonnes propriétés mécaniques sous forte contrainte.
4. L'acier inoxydable offre résistance à la corrosion et à la rouille, adapté aux clavettes devant fonctionner en milieux humides ou corrosifs.
5. Matériaux comme caoutchouc ou polyuréthane pour clavettes devant assurer étanchéité ou amortissement.

Principes de sélection des matériaux pour clavettes

La sélection du matériau doit se baser sur la puissance transmise, la vitesse, le couple, l'environnement de travail et la durée de vie.

• 1. Exigences de haute résistance : les clavettes supportent généralement de forts couples, matériaux haute résistance comme 45#, 40Cr, 42CrMo.
• 2. Exigences de haute résistance à l'usure : frottement et usure en rotation rapide, dureté et résistance élevées requises, ex. 40Cr.
• 3. Exigences de haute résistance à la corrosion : milieux humides ou corrosifs, souvent acier inoxydable.
• 4. Exigences de haute étanchéité : certaines clavettes font office de joint en rotation, matériaux comme caoutchouc ou polyuréthane.

Conception des clavettes d'arbre (facteurs clés, formules et calculs)

La conception de clavettes d'arbre nécessite une considération globale de divers facteurs et doit être calculée avec des formules spécifiques pour garantir de bonnes conditions de travail et une longue durée de vie. La conception implique principalement deux aspects : conception dimensionnelle et conception de forme. La conception dimensionnelle est déterminée par la taille de l'arbre et de la rainure, tandis que la conception de forme doit tenir compte des conditions de travail, environnement et charge. Voici les détails sur les formules théoriques, étapes de calcul, points clés de conception et considérations importantes pour bien comprendre la conception de clavettes.

Facteurs clés pour la conception de clavettes d'arbre

Conception structurelle des clavettes

1. Analyse des charges : analyser les types de charges supportées par la clavette, charges axiales et couples, pour déterminer la charge de conception.
2. Sélection du matériau : choisir le matériau approprié selon la charge de conception, conditions de travail et coût. Matériaux courants : acier, aluminium, cuivre.
3. Conception dimensionnelle : selon le matériau choisi et la charge de conception, déterminer les dimensions géométriques de la clavette : largeur, hauteur, longueur.
4. Conception de la rainure : considérer l'ajustement entre la clavette et les pièces accouplées, incluant forme, dimensions et jeu de la rainure.

Calcul de résistance

1. Analyse des efforts sur la clavette : analyser les forces agissant sur la clavette selon la charge et la conception structurelle, incluant force axiale et force de cisaillement.
2. Analyse des contraintes : calculer la distribution des contraintes sur la clavette, en considérant charges statiques et dynamiques.
3. Analyse des déformations : calculer la déformation de la clavette sous charge, incluant déformation axiale et flexion.

Vérification de résistance

1. Évaluation de la résistance : vérifier si les contraintes et déformations calculées répondent aux exigences de conception et coefficient de sécurité.
2. Évaluation de la durée de vie en fatigue : évaluer la vie en fatigue sous chargement cyclique, en considérant l'amorçage et la propagation des fissures de fatigue.
3. Vérification et optimisation : selon les évaluations de résistance et fatigue, effectuer vérification structurelle et optimisation pour garantir sécurité et fiabilité.

Formules de calcul des dimensions des clavettes d'arbre

a. Quand la largeur de clavette est connue :

La profondeur (h), la hauteur (t) et la largeur de tête (b) peuvent être calculées :

• h = d / 2
• t = d / 2
• b = S × d

Où :

• d = diamètre de l'arbre
• S = rapport largeur de clavette / diamètre d'arbre, généralement entre 0.1 et 0.3

b. Quand la hauteur de clavette est connue :

La largeur, la profondeur et la largeur de tête peuvent être calculées :

• b = S × d
• h = 2 × t
• B = S × d + k

Où :

• k = coefficient de sécurité, généralement autour de 0.1

Formules de résistance et calcul pour clavettes d'arbre

Les liaisons par clavette sont une méthode importante de transmission de couple. Leur conception doit considérer deux aspects fondamentaux : résistance au cisaillement et résistance à la flexion.

Formule de résistance à la flexion

En fonctionnement, la clavette subit des charges de flexion. La résistance à la flexion doit être considérée.

• Moment de flexion :
  M = F × b / 2Où :
  • F = effort sur la clavette
  • b = largeur de la clavette
• Contrainte de flexion :
  σ_b = 4M / (π × d³)Où :
  • d = diamètre de l'arbre
  • π = 3.1416

Formule de résistance au cisaillement

La résistance au cisaillement de la clavette doit répondre aux exigences de service :

• τ = F / (b × h)

Où :

• F = effort sur la clavette
• b = largeur de la clavette
• h = hauteur de la clavette

Formules de base pour la vérification de résistance

Vérification au cisaillement

• τ = F / A ≤ [τ]

Où :

• τ = contrainte de cisaillement réelle (MPa)
• F = force de cisaillement = 2 × M / d
• A = surface de cisaillement = b × l
• [τ] = contrainte de cisaillement admissible (MPa)

Vérification à l'écrasement

• σ_jy = F / A_jy ≤ [σ_jy]

Où :

• σ_jy = contrainte d'écrasement réelle (MPa)
• A_jy = surface d'écrasement = l × (h / 2)
• [σ_jy] = contrainte d'écrasement admissible (MPa)

Étapes de calcul et analyse de cas

Cas 1 : Vérification de résistance d'une clavette existante

Données :

• Diamètre arbre d = 70 mm
• Couple M = 600 N·m
• Dimensions clavette : b = 16 mm, h = 10 mm, l = 50 mm
• Contraintes admissibles : [τ] = 60 MPa, [σ_jy] = 100 MPa

Étape 1 : Calcul de l'effort de cisaillement (F)
F = 2 × M / d = 2 × 600 × 1000 / 70 = 17142.86 N

Étape 2 : Contrainte de cisaillement (τ)
τ = 17142.86 / (16 × 50) = 21.43 MPa < 60 MPa → Validé

Étape 3 : Contrainte d'écrasement (σ_jy)
σ_jy = 17142.86 / (50 × 5) = 68.57 MPa < 100 MPa → Validé

Cas 2 : Conception de la longueur minimale de clavette

Données :

• Diamètre arbre d = 50 mm
• Couple M = 1600 N·m
• Contraintes admissibles : [τ] = 80 MPa, [σ_jy] = 240 MPa

Étape 1 : Effort de cisaillement (F)
F = 2 × 1600 × 1000 / 50 = 64000 N

Étape 2 : Longueur de clavette selon condition de cisaillement
l ≥ 64000 / (16 × 80) = 50 mm

Étape 3 : Longueur de clavette selon condition d'écrasement
l ≥ 64000 / (5 × 240) ≈ 53.3 mm

Sélection finale : Selon la série standard, choisir l = 56 mm

Lignes directrices et considérations de conception

Sélection du type de clavette

• Clavettes à jeu (ex. clavettes plates, Woodruff) :
  Transmettent le couple par les faces latérales ; adaptées aux applications haute précision, sans force axiale.
• Clavettes à serrage (ex. clavettes coniques, tangentielles) :
  Transmettent le couple par frottement sur faces supérieure et inférieure ; adaptées aux fortes charges avec exigences de précision moindres.

Relation entre longueur de clavette et longueur de moyeu

• La longueur de clavette est généralement 5–10 mm plus courte que la longueur du moyeu pour éviter les interférences au montage.
• Les longueurs standard de clavettes doivent suivre les valeurs du manuel de conception mécanique (ex. 50, 56, 63, 70 mm, etc.)

Applicabilité des formules et controverses

Pour les clavettes à serrage comme les clavettes coniques, différents manuels peuvent traiter différemment le coefficient de frottement (μ). Certaines formules utilisent 6μd, d'autres bμd. Nous recommandons de suivre les formules de sources faisant autorité (éditions Cheng Dashian ou Qin Datong) et de les valider par analyse dimensionnelle (unités).