Clavettes et rainures de clavette : Types et applications dans les assemblages mécaniques

Qu'est-ce qu'une clavette et une rainure de clavette ?

Une clavette et sa rainure forment un assemblage par clavette pour fixer le moyeu sur l'arbre et empêcher tout mouvement relatif entre un arbre de transmission de puissance et un composant fixé. Par exemple, des engrenages, poulies ou pignons sont solidement connectés à l'arbre de transmission à l'aide de clavettes (Figure 1). Les assemblages par clavette sont un élément important de la transmission mécanique de puissance (arbres et accouplements), assurant la transmission de la charge, de la puissance et de la rotation sans glissement et dans les limites de précision du design.

Une clavette est généralement en acier et s'insère entre l'arbre et le moyeu du composant dans le sens axial pour empêcher le mouvement relatif. La rainure d'arbre (keyseat) est l'encoche dans l'arbre et la rainure de moyeu (keyway) est l'encoche dans le moyeu pour recevoir la clavette et verrouiller le composant. En pratique, le terme « rainure d'arbre » est rarement utilisé, « rainure de clavette » désignant les deux encoches dans l'industrie (Figure 2).

Les rainures d'arbre et de moyeu sont souvent usinées sur des machines à rainurer, mais peuvent aussi être réalisées par brochage, fraisage, taillage, mortaisage ou électroérosion.

Des éléments de retenue tels que des cannelures, accouplements flexibles, joints coniques, etc. sont également utilisés. Pour les très faibles transmissions de puissance, des vis de pression et goupilles peuvent suffire. Si des vis de pression ou, dans certains cas d'assemblages par clavette, sont utilisées, un moyen de contrainte axiale (circlips, bagues de retenue) est nécessaire.

Avantages et limites des assemblages par clavette

Il existe divers avantages et inconvénients à l'utilisation de clavettes d'arbre ; une attention particulière doit être portée aux détails du design global pour évaluer la pertinence de l'assemblage par clavette.

Avantages des clavettes d'arbre et de l'assemblage par clavette

• Coût de fabrication faible
• Bien normalisées (ISO, BS, DIN, ANSI)
• Transmission de couple moyenne à élevée
• Montage et démontage faciles, donc facilement réutilisables

Inconvénients des clavettes d'arbre et de l'assemblage par clavette

• Inadaptées aux charges alternées et aux chocs
• Déplacement axial possible du moyeu sauf verrouillage par élément supplémentaire (vis de pression, bagues de retenue)
• Difficulté croissante de démontage avec le temps
• Les rainures créent des points de concentration de contrainte (effet d'encoche) et réduisent la résistance de l'arbre
• Déséquilibrage de l'arbre
• Difficile de calculer et combiner l'analyse de la capacité de charge et des tolérances empilées, d'où des assemblages surdimensionnés
• Pour transmettre une force axiale, un arrêt de blocage est nécessaire

Types de clavettes

Les clavettes d'arbre existent en une grande variété de types et formes, divisées en quatre catégories principales avec sous-catégories (Figure 3) :

1. Clavettes enfoncées (Sunk Keys)
   • Clavettes rectangulaires et carrées
   • Clavettes parallèles
   • Clavettes à tête de gib (Gib head)
   • Clavettes à plume (feather key – jeu de coulissement)
   • Clavettes Woodruff
2. Clavettes à selle (Saddle Keys)
   • Clavettes à selle plates et creuses
3. Clavettes tangentielles (Tangent Keys)
4. Clavettes rondes / circulaires (Round/Circular Keys)

Parmi ces types, la clavette parallèle carrée et la clavette Woodruff sont les plus utilisées en raison de leur facilité d'emploi et de leur coût.

Double clavette – En raison des tolérances de fabrication et pour éviter les doubles ajustements, une seule clavette parallèle est généralement utilisée. Des double clavettes sont occasionnellement employées pour des charges très élevées et peu fréquentes, uniquement si le matériau est ductile. Les calculs doivent alors se baser sur une clavette et demie.

Clavettes enfoncées (Sunk Keys)

Les clavettes enfoncées s'enfoncent dans l'arbre sur la moitié de leur épaisseur, la mesure étant prise sur le côté de la clavette, pas sur la ligne centrale traversant l'arbre (Figures 4 & 5).

Clavettes rectangulaires / carrées

Les clavettes rectangulaires sont plus larges que hautes, parfois appelées clavettes plates. Utilisées sur arbres jusqu'à ~500 mm (20 pouces) de diamètre. La largeur supplémentaire permet de transmettre un couple plus important sans augmenter la profondeur, ce qui affaiblirait l'arbre en réduisant sa section efficace.

Les clavettes carrées ont une section carrée et sont généralement spécifiées pour arbres jusqu'à ~25 mm (1 pouce). Elles conviennent aux arbres plus grands quand une profondeur de rainure plus grande est souhaitée par rapport aux clavettes rectangulaires. L'augmentation de profondeur affaiblit l'arbre par réduction de la section transversale efficace.

Les clavettes carrées et rectangulaires peuvent avoir un conicité de 1:100 sur leur longueur (Figure 6).

Clavettes parallèles enfoncées

Les clavettes parallèles enfoncées peuvent être à section rectangulaire ou carrée, mais sans conicité. Elles sont peu coûteuses, facilement disponibles et parmi les plus simples à installer. Idéalement, elles doivent être maintenues par une vis de pression traversant le moyeu, car les vibrations ou inversions de rotation tendent à les faire sortir.

Elles sont généralement ajustées serré au fond de la rainure d'arbre et sur les flancs de l'assemblage, laissant un jeu au sommet de la rainure de moyeu.

Clavettes à tête de Gib enfoncées

Une tête de Gib est ajoutée pour faciliter le retrait. Comme montré en Figure 8, ce sont généralement des clavettes rectangulaires ou carrées avec conicité sur la face supérieure pour assurer un serrage serré.

Clavettes à plume (Feather Keys)

Les clavettes à plume sont fixées soit à l'arbre, soit au moyeu pour permettre un mouvement axial relatif. Comme illustré, il existe trois types principaux : à double tête, à tenon (peg feather) et clé à plume standard. Elles transmettent le couple par leurs faces parallèles opposées tout en permettant le coulissement.

Clavettes Woodruff

La clavette Woodruff est un disque semi-circulaire s'insérant dans une rainure circulaire de l'arbre, usinée par une fraise à clavette Woodruff. Utilisées principalement sur machines-outils et arbres automobiles de ¼" à 2½" (6 à 60 mm) de diamètre. Elles ne supportent pas la même charge que les clavettes parallèles longues.

L'avantage de la clavette Woodruff est qu'elle s'adapte à toute conicité de la rainure de moyeu, est captive et sa profondeur empêche le retournement.

Inconvénients : la profondeur de la rainure affaiblit l'arbre, ne peuvent pas servir de clavettes à plume, sont difficiles à installer, courtes et ne supportent pas de charges élevées.

Clavettes à selle (Saddle Keys)

Contrairement aux clavettes enfoncées, les clavettes à selle ne s'enfoncent pas dans l'arbre, seulement dans le moyeu. Elles reposent soit sur une face plate, soit sur la circonférence de l'arbre. La transmission de puissance s'effectue par frottement entre l'arbre et la clavette. Comme le montre la figure, elles se subdivisent en clé à selle plate et clé à selle creuse et ne conviennent qu'aux charges légères pour éviter le glissement.

Une clé à selle plate est conique en haut et plate en bas (Figure 13). Elle s'insère dans une rainure de moyeu conique en appuyant sur la face plate de l'arbre.

Une clé à selle creuse est conique en haut et courbée en bas (Figure 14). Elle s'insère dans une rainure de moyeu conique et appuie sur la surface circonférentielle courbe de l'arbre.

Clavettes tangentielles (Tangent Keys)

Les clavettes tangentielles (ou clavettes tangentielles) sont montées par paires à angle droit (Figure 15), chaque clavette supportant la torsion dans un seul sens. Utilisées sur les gros arbres de service lourd.

Clavettes rondes / circulaires (Round / Circular Keys)

Les clavettes rondes sont de section circulaire et s'insèrent dans des trous percés partiellement dans l'arbre et partiellement dans le moyeu. Elles ont l'avantage d'une fabrication aisée car leurs rainures peuvent être percées et alésées après assemblage des pièces. Généralement considérées comme appropriées pour les transmissions de faible puissance.

Conception de la rainure de clavette et dimensionnement de la clavette

La sélection de la clavette d'arbre est cruciale pour éviter la défaillance prématurée des assemblages par clavette. Consultez « Guide de sélection de clavette d'arbre et de conception de rainure de clavette » pour comprendre comment calculer les contraintes de cisaillement et de compression sur la clavette. L'article aborde aussi les facteurs critiques : matériau de la clavette, type de charge, ajustement correct, à considérer lors de la conception d'embodiment de l'assemblage par clavette.

Normes et spécifications

Consultez les dimensions et tolérances tabulées des rainures de clavette métriques pour clavettes parallèles et Woodruff selon BS 4235-1:1972. Outre les tolérances de taille de rainure et profondeurs, certaines normes donnent la taille de clavette recommandée, la profondeur de rainure en fonction du diamètre d'arbre :

• Recommandations pour taille de clavette, longueur et profondeur de rainure selon diamètre d'arbre : ASME B17.1-1967, ASME B17.2-1967
• Spécification pour clavettes et rainures métriques – Clavettes parallèles et coniques : BS 4235-1:1972
• Correspondance clavette Woodruff / diamètre d'arbre : DIN 6888
• Clavettes et rainures tangentielles pour charges de choc alternées : DIN 268:1974
• Clavettes et rainures tangentielles pour charges constantes : DIN 271:1974

Références

• Collins, J. A., Busby, H., & Staab, G. (s.d.). Mechanical Design of Machine Elements and Machines. John Wiley & Sons.
• Hamrock, B. J., Schmid, S. R., & Jacobson, B. O. (2006). Fundamentals of machine elements. Boston: McGraw-Hill Higher Education.
• Kurt M. Marshek, Robert C. Juvinall (2021). Fundamentals of machine component design. John Wiley & Sons.