Clé (ingénierie)

En génie mécanique , une clavette est un élément de machine utilisé pour relier un élément de machine rotatif à un arbre . La clavette empêche la rotation relative entre les deux pièces et peut permettre la transmission du couple . Pour qu'une clavette fonctionne, l'arbre et l'élément de machine rotatif doivent avoir une rainure de clavette et un logement de clavette , qui est une fente et une poche dans lesquelles la clavette s'insère. L'ensemble du système est appelé articulation à clavette . Une articulation à clavette peut permettre un mouvement axial relatif entre les pièces.

Les composants couramment utilisés comprennent les engrenages , les poulies , les accouplements et les rondelles .

Il existe cinq principaux types de clés : encastrées , à selle , tangente , rondes et cannelées .

Types de clés à tête fraisée : rectangulaire , carrée , à tête fraisée parallèle , à tête plate , à tête bombée et à tête plate .

Les clavettes parallèles sont les plus utilisées. Elles ont une section transversale carrée ou rectangulaire. Les clavettes carrées sont utilisées pour les arbres plus petits et les clavettes à face rectangulaire sont utilisées pour les diamètres d'arbre supérieurs à 170 mm (6,5 po) ou lorsque l'épaisseur de la paroi du moyeu d'accouplement pose problème. Des vis de réglage accompagnent souvent les clavettes parallèles pour verrouiller les pièces d'accouplement en place. La rainure de clavette est une fente longitudinale à la fois dans l'arbre et dans la pièce d'accouplement.

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  Le logement de clavette dans un arbre pour une clavette parallèle
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  Un pignon avec une rainure de clavette parallèle interne
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  Coupe transversale d'un assemblage à clavette parallèle

W = ⁠d/4 ]

H = ⁠2 jours/3 ]

où

• W est la largeur de la clé
• H est la hauteur de la clé
• d est le diamètre de l'arbre

Les clavettes Woodruff sont semi-circulaires , s'insérant en partie dans une rainure de clavette à segment circulaire , le reste s'insérant dans une rainure de clavette à fente longitudinale dans la pièce d'accouplement. Le segment circulaire peut être coupé directement par coupe en plongée avec une fraise Woodruff circulaire sans aucun relief. Le principal avantage de la clavette Woodruff est l'élimination du fraisage près des épaulements de l'arbre, où les concentrations de contraintes et la concentricité seraient affectées. Ce dernier est particulièrement important pour un fonctionnement à grande vitesse. L'ajustement plus précis de la clavette et de la rainure de clavette réduit également le jeu et les concentrations de contraintes et améliore la fiabilité de la clavette. Un avantage supplémentaire est qu'une clavette coincée peut être retirée d'un arbre d'un coup de marteau, le profil circulaire poussera la clavette hors de la fente, contrairement à une clavette standard qui devra être poussée axialement ou retirée de sa fente. Les applications courantes comprennent les machines-outils , les applications automobiles , les souffleuses à neige et les hélices marines .

Ce type de clé a été développé par William N. Woodruff de Hartford, Connecticut . En 1888, il a reçu la médaille John Scott de l' Institut Franklin pour son invention.

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  Une clé Woodruff installée
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  Une clavette et une rainure de clavette Woodruff
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  L'engrenage G est positionné positivement sur l'arbre S par la clavette Woodruff N

La clavette conique est conique uniquement du côté qui engage le moyeu. La rainure de clavette dans le moyeu a une conicité qui correspond à celle de la clavette conique. Certaines clavettes coniques ont une languette , ou une languette, pour un retrait facile lors du démontage. Le but de la conicité est de fixer la clavette elle-même, ainsi que d'engager fermement l'arbre sur le moyeu sans avoir besoin d'une vis de réglage. Le problème avec les clavettes coniques est qu'elles peuvent provoquer un léger décalage du centre de rotation de l'arbre par rapport à la pièce d'accouplement. Elle diffère d'un verrou d'arbre conique en ce sens que les clavettes coniques ont une conicité correspondante sur la rainure de clavette, alors que les verrous d'arbre conique n'en ont pas.

Une clé écossaise ou hollandaise comporte un trou de clavette circulaire (au lieu d'un trou rectangulaire), produit en perçant axialement dans le moyeu et l'arbre assemblés, avec une goupille métallique servant de clavette. Si le trou et la clavette sont coniques, la clavette est appelée goupille hollandaise , qui est enfoncée et éventuellement finie par coupe ou meulage au ras de l'extrémité de l'arbre. Si un trou de clavette hollandaise droit est éventuellement taraudé avec un filetage, alors une vis ordinaire sert de clavette hollandaise filetée.

Les goupilles élastiques sont une alternative aux goupilles cylindriques pleines. Une goupille élastique est auto-agrippante et ne se desserre pas sous l'effet des vibrations. Les goupilles élastiques creuses offrent une résistance au cisaillement plus faible qu'une goupille cylindrique pleine, et la résistance peut être modifiée en faisant varier l'épaisseur de la paroi. Cette spécification de résistance au cisaillement limitée est conçue pour soutenir un fonctionnement normal, mais cède ensuite en cas de couple d'arbre excessif, protégeant ainsi le reste de la machine contre les dommages.

L'introduction d'un composant de bague supplémentaire entre le moyeu et l'arbre améliore les performances et la commodité des joints à clavette. Les bagues Taper-Lock sont des raccords de moyeu à clavette qui fournissent trois rainures de clavette hollandaises filetées et deux vis de réglage comme clavettes hollandaises, en plus de la rainure de clavette rectangulaire. Les rainures de clavette hollandaises sont filetées uniquement sur le côté du moyeu ou du côté de l'arbre, avec un trou de dégagement de filetage sur le côté opposé. En vissant simplement les vis de réglage dans les trous sélectionnés, le mécanisme du moyeu fonctionne de manière pratique pour verrouiller de manière rigide ou libérer définitivement de l'arbre, sans marteler ni tirer sur le moyeu. Les bagues à déconnexion rapide ( QD ) fonctionnent de manière similaire, mais placent un motif circulaire de trois trous non filetés et trois trous entièrement filetés plus loin de l'axe de l'arbre sur une bride de bague, au lieu de traverser l'interface bague-moyeu.

Un assemblage Hirth est similaire à un assemblage cannelé mais avec les dents à l'extrémité de l'arbre au lieu de la surface.

Ces types de clavettes sont généralement fixées à l'élément moteur (par exemple, les arbres). Ces types de clavettes ont moins de résistance que les clavettes encastrées. Ce sont des clavettes rarement utilisées, pour transmettre une puissance inférieure aux éléments entraînés (par exemple, les accouplements).

Les clavettes tangentes sont utilisées dans les applications lourdes à couple élevé. Ce qui aurait dû être le côté de chaque rainure de clavette forme des talons contre lesquels la clavette repose et transfère la force par compression. Ce dernier point signifie que pour un mouvement réversible de l'arbre, une autre clavette le long d'une tangente vers l'extérieur dans la direction opposée est nécessaire. En général, celle-ci sera décalée de 90° ou 180° sur l'arbre. La clavette peut être de forme cunéiforme, rectangulaire ou carrée, mais on utilise particulièrement des clavettes à double cône rectangulaires.

Ce type de clé utilise plusieurs rainures dans le moyeu pour transmettre une puissance élevée.

Le clavetage consiste à créer des rainures dans les pièces à associer. Le clavetage peut être effectué sur différentes machines, notamment une broche, un claveteur, une électroérosion à fil, une fraiseuse ou une machine à rainurer verticale, une fraiseuse verticale ou horizontale, ou encore avec un ciseau et une lime.

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  Fraises à rainurer
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  Fraises spéciales
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  Outils de rainurage
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  Différents outils de rainurage

Le brochage est principalement utilisé pour couper des rainures de clavette internes à coins carrés. La broche, la douille et le guide spécifiques sont utilisés pour chaque section de rainure de clavette donnée, ce qui rend ce processus plus coûteux que la plupart des alternatives. Cependant, il peut produire la rainure de clavette la plus précise de tous les processus. Le brochage d'une rainure de clavette comporte trois étapes principales : tout d'abord, la pièce est placée sur la presse à mandrin et la douille est placée dans l'ouverture de la pièce. Ensuite, la broche est insérée et poussée à travers, coupant la rainure de clavette. Enfin, des cales sont placées entre la douille et la broche pour obtenir la profondeur correcte nécessaire à la clavette.

Les machines à rainurer les clavettes , également appelées machines à rainurer les clavettes et fraises à rainurer les clavettes , sont des machines spécialisées conçues pour couper les rainures de clavette. Elles sont très similaires aux façonneuses verticales ; la différence est que l' outil de coupe d'une façonneuse pénètre dans la pièce par le bas et coupe sur la course descendante, tandis que l'outil d'une façonneuse pénètre dans la pièce par le haut et coupe vers le bas. Une autre différence est qu'une façonneuse de clavettes possède un système de guidage au-dessus de la pièce pour minimiser la déflexion, ce qui se traduit par une coupe à tolérance plus étroite. Le processus commence par le serrage de la pièce sur la table avec un dispositif de fixation ou un étau . La pièce est correctement positionnée, puis le bras alternatif est démarré. Certains modèles ont une table fixe de sorte que la fraise est introduite horizontalement dans la pièce, tandis que d'autres ont une table mobile qui alimente la pièce dans une fraise fixe. Ces machines peuvent couper d'autres éléments à côtés droits autres que les rainures de clavette (voir l'image). Elles peuvent également produire des fentes borgnes, qui sont des fentes qui ne s'étendent pas sur toute la pièce.

L'usinage par électroérosion à fil est principalement utilisé pour les petits lots de production où une précision extrême est requise ou où d'autres technologies de coupe ne sont pas facilement disponibles. L'électroérosion à fil coupe les rainures de clavette en érodant le matériau de la pièce à usiner grâce à une série de décharges de courant électrique rapides entre un fil en enroulement et la pièce à usiner à travers un liquide diélectrique. Les machines d'électroérosion à fil à commande numérique par ordinateur (CNC) permettent de choisir une grande variété de rainures de clavette à couper, y compris plusieurs rainures de clavette sur le même moyeu. Les principales limites de l'électroérosion à fil CNC sont le temps nécessaire pour couper une rainure de clavette ainsi que la taille des pièces qu'une machine d'électroérosion à fil donnée peut prendre en charge.

Le façonnage ou le rainurage est largement utilisé pour couper des rainures de clavette qui ne s'étendent pas sur toute la longueur de la pièce. Comme le rainurage, le façonnage utilise un outil de coupe à pointe unique pour la coupe, cependant, les façonneurs ne sont pas guidés à travers la coupe sur un poteau fixe. En tant que telles, les coupes de façonnage sont généralement plus sensibles à la déflexion que les coupes de rainurage.

Les rainures de clavette parallèles, coniques et Woodruff peuvent être produites sur une fraiseuse . Des fraises à queue ou des fraises à rainurer sont utilisées pour les rainures de clavette parallèles et coniques, tandis qu'une fraise Woodruff est utilisée pour les rainures de clavette Woodruff.

Pour les rainures de clavette internes qui ne sont pas trop longues, les rainures de clavette peuvent être fraisées si un rayon est acceptable.

L'une des premières formes de pose de clavettes était réalisée par burinage . La rainure de clavette est ébauchée à l'aide d'un ciseau, puis limée à la taille souhaitée ; la clavette est essayée fréquemment pour éviter un limage excessif. Cette technique est longue, fastidieuse et rarement utilisée aujourd'hui.

Une clavette de cisaillement est un dispositif conçu pour faire défaut et éviter d'autres dommages si la machine est utilisée accidentellement au-delà de ses limites de conception. Les clavettes de cisaillement peuvent être de n'importe quelle conception décrite ci-dessus, mais sont fabriquées à partir d'un matériau plus faible que l'arbre. La clavette de cisaillement est facile et peu coûteuse à remplacer, et évite des dommages plus graves au mécanisme qui seraient coûteux ou difficiles à réparer. Par exemple, un arbre et une poulie en acier peuvent utiliser une clavette en laiton. Lorsqu'un couple excessif est appliqué au joint, les bords en acier cisaillent la clavette en laiton en deux morceaux, laissant la poulie tourner librement sur l'arbre et protégeant le reste de la machine de dommages éventuels.

Deux clavettes parallèles peuvent être utilisées si la connexion de l'arbre nécessite un couple nominal plus élevé.

Les rainures de clavette mal usinées qui entraînent une déviation ou une dérive de la fraise peuvent ne pas être suffisamment résistantes pour l'application requise.