Guide des arbres cannelés : types, normes et matériaux

Les arbres cannelés sont des composants mécaniques fondamentaux utilisés pour transmettre le couple entre un arbre et un moyeu (ou un engrenage) tout en permettant un mouvement axial relatif ou en assurant une position angulaire précise. Ils sont essentiellement une évolution de la clavette et de la rainure de clavette, offrant une résistance significativement plus grande, un meilleur alignement et une répartition de la charge plus équilibrée grâce aux multiples clavettes (cannelures) usinées intégralement qui s'accouplent avec des cannelures internes correspondantes sur le moyeu. Comprendre les différents types, les dimensions normalisées et les matériaux appropriés pour les arbres cannelés est essentiel pour concevoir des systèmes de transmission de puissance robustes et efficaces dans des secteurs tels que l'automobile, les équipements lourds, l'aérospatiale et les machines-outils.

Types de profils d'arbres cannelés

La géométrie du profil de cannelure est la caractéristique déterminante qui détermine sa capacité de charge, ses propriétés d'alignement et son adéquation à différentes applications. Les principaux types de profils d'arbres cannelés sont :

1. Cannelures à clés parallèles (cannelures à côtés droits) :

Ce sont les types les plus anciens et les plus simples. Les cannelures sont espacées uniformément sur la périphérie de l'arbre, avec des côtés droits parallèles à l'axe de l'arbre. Elles transmettent le couple par les côtés des clavettes.

• Avantages : Faciles à fabriquer (souvent par fraisage ou taillage à la fraise-mère) et relativement simples à jauger. Elles permettent un mouvement axial sous charge.

• Inconvénients : La répartition de la charge est souvent inégale, concentrant la contrainte aux coins. Elles peuvent souffrir de jeu (lâcheté) et ne sont pas idéales pour les applications à couple très élevé où un centrage précis est requis.

2. Cannelures à denture :

Les dentures sont similaires aux cannelures à clés parallèles, mais ont généralement un pas de denture plus faible et plus fin et ne sont pas destinées au mouvement axial sous charge. Elles sont utilisées principalement pour les joints semi-permanents ou lorsque le moyeu doit être fixé rigidement à l'arbre. Elles sont souvent définies par un grand nombre de dents.

• Avantages : Fournissent un effet de centrage très précis et une excellente rigidité pour les joints statiques.

3. Cannelures en développante :

Il s'agit du type de cannelure le plus courant et le plus robuste, utilisant la courbe en développante, le même profil utilisé pour les dents d'engrenage. Le profil en développante permet une bien meilleure répartition de la charge et fournit une action d'auto-centrage. Le couple est transmis via les flancs des dents en développante.

• Avantages : Résistance et durabilité élevées grâce à une répartition des contraintes favorable. Elles offrent un excellent effet de centrage, ce qui minimise les charges radiales et les vibrations. Le processus de fabrication (taillage à la fraise-mère, façonnage ou laminage) est hautement normalisé en raison de sa similitude avec la fabrication d'engrenages. Elles peuvent être fabriquées pour des conditions coulissantes (mouvement axial) ou fixes.

• Inconvénients : Plus complexes à fabriquer et à jauger que les cannelures à côtés droits.

Normes des cannelures à clés

Pour assurer l'interchangeabilité et des performances constantes, les dimensions des arbres cannelés sont régies par plusieurs normes internationales et nationales clés. Ces normes définissent les dimensions critiques, les tolérances et les exigences d'ajustement.

1. ANSI B92.1 (American National Standards Institute) :

Il s'agit de la norme dominante en Amérique du Nord pour les cannelures en développante. Elle couvre la géométrie des cannelures à racine plate et à racine en congé (le rayon à la base de la dent). Elle spécifie la relation entre le diamètre primitif, l'angle de pression (généralement $30^{circ}$, $37,5^{circ}$ ou $45^{circ}$) et le nombre de dents. La norme définit également quatre classes d'ajustement différentes (classe 1, 2, 3 et 4), allant des ajustements coulissants serrés aux ajustements serrés, en fonction des tolérances autorisées.

2. DIN 5480 (Deutsches Institut für Normung) :

La principale norme européenne pour les cannelures en développante, la DIN 5480 est très complète et largement utilisée dans le monde entier, souvent préférée pour ses spécifications détaillées et ses tolérances serrées. Elle utilise un système de module (similaire aux engrenages métriques) pour définir la taille et est particulièrement rigoureuse dans la définition des tolérances de flanc, qui ont un impact direct sur le jeu et la qualité de l'ajustement.

3. ISO 4156 (Organisation internationale de normalisation) :

Cette norme est destinée à harmoniser les différentes normes nationales pour les cannelures à côtés droits et en développante, en fournissant un ensemble de spécifications mondialement reconnues pour l'interchangeabilité, en se concentrant particulièrement sur l'ajustement cylindrique pour les cannelures en développante.

4. SAE J499 (Society of Automotive Engineers) :

Cette norme se concentre spécifiquement sur les cannelures à côtés parallèles, définissant les dimensions et les tolérances souvent utilisées dans les applications automobiles et les équipements lourds où la simplicité et la robustesse sont privilégiées.

Ces normes fournissent le plan de l'ensemble du processus de fabrication, de la sélection de la fraise-mère ou de la fraise-mère appropriée à la définition des jauges Go/No-Go utilisées dans le contrôle qualité. L'ajustement est déterminé par la tolérance de jeu et les ajustements des diamètres majeurs et mineurs, qui garantissent collectivement que l'arbre cannelé fonctionne comme prévu, qu'il doive glisser en douceur ou rester rigidement fixé.

Matériaux des arbres cannelés

Le choix du matériau pour un arbre cannelé est régi par les exigences de l'application en matière de résistance, de dureté, de résistance à l'usure et, occasionnellement, de résistance à la corrosion. Étant donné que les arbres cannelés sont des transmetteurs de couple, ils sont soumis à des contraintes de torsion, de flexion et de pression de contact de flanc élevées.

1. Aciers à faible teneur en carbone (par exemple, AISI 1018, 8620) :

Ceux-ci sont souvent utilisés lorsque l'arbre sera cémenté (carburé) après l'usinage. La carburation crée une surface dure et résistante à l'usure (dureté de surface élevée) tout en conservant un cœur résistant et absorbant les chocs (faible dureté du cœur). C'est le choix standard pour les arbres de transmission automobiles à volume élevé.

2. Aciers à teneur moyenne en carbone (par exemple, AISI 4140, 4340) :

Ces aciers offrent une résistance élevée du cœur et sont excellents pour les arbres qui nécessitent une plus grande ténacité globale et une résistance élevée à la fatigue. Ils sont généralement trempés et revenus (traités thermiquement) pour obtenir un équilibre souhaité de dureté et de ductilité. Le 4140 est un choix courant et polyvalent, tandis que le 4340 est réservé aux applications extrêmement sollicitées en raison de sa trempabilité et de sa résistance supérieures.

3. Aciers inoxydables (par exemple, séries AISI 300 et 400) :

Utilisés dans les environnements corrosifs, tels que les équipements marins ou de transformation des aliments. La série 400 (comme le 416) est souvent utilisée lorsque la résistance à la corrosion et une résistance modérée sont nécessaires, car ils peuvent être traités thermiquement pour une dureté accrue.

4. Aciers à outils (par exemple, D2, H13) :

Ceux-ci sont rarement utilisés pour l'arbre lui-même, mais peuvent être sélectionnés pour les composants fortement sollicités dans les machines spécialisées où une résistance extrême à l'usure et une stabilité dimensionnelle sont primordiales, souvent dans les environnements de travail à froid ou à haute température.

La séquence de fabrication est cruciale : le matériau de l'arbre est généralement usiné à ses dimensions quasi finales, les cannelures sont coupées (taillées à la fraise-mère, façonnées ou laminées), puis le composant est traité thermiquement pour obtenir la dureté et le profil de résistance finaux requis. Le meulage de précision peut suivre le traitement thermique pour corriger toute distorsion et obtenir les tolérances dimensionnelles finales et précises, en particulier sur le diamètre primitif, qui est la dimension la plus critique pour le bon fonctionnement de la cannelure. Le choix du matériau et du traitement thermique dicte finalement la durée de vie et la fiabilité de l'ensemble de la transmission de puissance.