Guide complet sur les clavettes et rainures de clavette en génie mécanique

Les joints clavetés (clé + rainure) assurent la liaison transversale entre un arbre et un moyeu (poulie, engrenage, pignon, accouplement) pour transmettre un couple sans glissement relatif angulaire, tout en autorisant souvent un déplacement axial relatif.

Définition et composants

• Clavette (clé) : pièce généralement en acier, section rectangulaire, carrée ou circulaire, insérée axialement.
• Rainure d'arbre (clé d'arbre / keyseat) : évidement usiné dans l'arbre (fraiseuse, mortaiseuse).
• Rainure de moyeu (clé de moyeu / keyway) : évidement complémentaire dans l'alésage du moyeu.

La clavette est partagée à parts égales (hauteur) entre les deux rainures. L'ajustement est serré sur les flancs (transmission du couple) et avec un jeu en hauteur (toit de la rainure de moyeu) pour faciliter le montage.

Types de clavettes

Clavettes enfoncées (sunk keys) — les plus courantes

• Clavettes rectangulaires (plates) : largeur > hauteur. Arbres ≥ 50 mm. Transmettent fort couple sans augmenter la profondeur (affaiblissement arbre limité).
• Clavettes carrées : section carrée. Arbres ~ 25 mm. Plus profondes → arbre plus affaibli.
• Clavettes parallèles (sans conicité) : rectangulaires ou carrées, sans taper. Faciles à monter, bon marché. Nécessitent vis de pression ou clavette à tête pour éviter le déport par vibrations/inversion de rotation. Jeu en toit de rainure de moyeu.
• Clavettes à tête (gib head) : parallèles avec tête conique → extraction facilitée.
• Clavettes à queue d'aronde (feather keys) : clavettes guidées (double tête, clavette à tenon, clavette glissante) solidarisées à l'arbre OU au moyeu → permettent glissement axial (coulissement) tout en transmettant le couple. Utiles pour embrayages, prises de force.
• Clavettes Woodruff (demi-lune) : disque demi-circulaire dans rainure circulaire d'arbre (fraiseuse spéciale). Arbres 6–60 mm. Auto-alignement, concentration de contrainte réduite, mais capacité de charge inférieure aux clavettes longues. Courantes en automobile, outillage.

Clavettes à selle (saddle keys) — sans rainure d'arbre

Portent sur la surface de l'arbre (plat ou cylindrique), transmission par frottement uniquement. Charges légères seulement (risque de glissement).

• Clavette à selle plate : fond plat sur arbre surfacé.
• Clavette à selle creuse : fond concave sur arbre cylindrique.

Clavettes tangentielles (tangent keys)

Paire de clavettes rectangulaires disposées à 90° sur la circonférence, chacune supportant la torsion dans un sens. Arbres de gros diamètre, charges lourdes, inversions de couple.

Clavettes cylindriques (round keys)

Cylindriques, logées dans des trous perçus à cheval sur l'arbre et le moyeu (après assemblage). Fabrication aisée (perçage/alésage), faible couple transmissible. Petits moteurs, outillage léger.

Avantages des joints clavetés

• Coût de fabrication très faible (standardisés ISO, DIN, BS, ANSI).
• Transmission couple moyenne à élevée.
• Montage/démontage aisés, réutilisables.
• Normalisation internationale.

Inconvénients et limites

• Inadaptés aux charges alternées, chocs, vibrations violentes (risque de cisaillement, déport, fatigue de la rainure).
• Concentration de contraintes au fond de rainure (effet d'encoche) → affaiblissement arbre (facteur de concentration Kt ~ 2–3).
• Déséquilibrage dynamique (masse excentrée).
• Risque de déplacement axial du moyeu (nécessite bague d'arrêt, vis de pression, rondelle).
• Calcul de tenue et analyse des tolérances (empilement) complexes.
• Démontage difficile si grippage/corrosion (clavette parallèle sans tête).

Applications typiques

• Transmission de puissance : engrenages, poulies, pignons, accouplements rigides sur arbres moteurs.
• Machines-outils, équipements industriels, machines agricoles, transmissions automobiles (boîtes de vitesses, différentiels).
• Alternative aux cannelures (plus coûteuses) quand le glissement axial n'est pas requis.

Conclusion

Le joint claveté reste une solution standard, économique et efficace pour la liaison arbre-moyeu en transmission de couple unidirectionnelle ou réversible modérée. Pour les charges sévères (chocs, alternance, couple élevé), les cannelures, serrages par frettage ou clavettes tangentielles sont préférables. Le choix du type de clavette, son ajustement et la gestion des concentrations de contraintes sont déterminants pour la fiabilité.