L’arbre sous toutes ses formes est sans aucun doute l’un des éléments les plus importants en mécanique. Sa capacité à transmettre les couples et à supporter les éléments rotatifs en fait un composant essentiel qui compose presque toutes les machines. Les arbres ont une forme de tige, longitudinale, et sont produits dans différentes formes. Le matériau utilisé dépend essentiellement de l’utilisation et des exigences qui en découlent. Les exigences élémentaires telles que la solidité du matériau, la trempabilité et la ductilité sont garanties par des aciers de différents types. Par ailleurs, en cas de charge importante et de conditions supplémentaires appliquées sur l’arbre, l’on recourt à des aciers de traitement et de cémentation.

D’un point de vue tant structurel que fonctionnel, l’arbre creux offre une alternative par rapport aux modèles habituels avec des propriétés similaires. Contrairement à l’arbre habituel, aussi appelé arbre plein, l’arbre creux ne possède pas un intérieur plein, mais creux. Cette propriété présente quelques avantages, lesquels font de l’arbre creux un élément très répandu dans les machines.

Propriétés et avantages de l’arbre creux

La conception particulière de l’arbre creux permet principalement d’offrir un gain énorme en termes de poids qui se révèle souvent avantageux du point de vue constructif et fonctionnel. Par ailleurs, le vide de l’arbre creux présente un autre avantage : le gain d’espace. Des éléments du système, des supports, voire des éléments additionnels des machines tels que les essieux et les arbres peuvent être intégrés à l’intérieur de l’arbre creux ou offrir un canal avec cette place supplémentaire. En outre, les arbres creux disposent en général d’une plus grande fréquence fondamentale. Les servoactionneurs de la série CanisDrive® d’Harmonic Drive AG aussi sont dotés d’un grand arbre creux central, lequel contribue largement à permettre un vaste spectre d’applications pour cette série de produits.

Le processus de fabrication de l’arbre creux est nettement plus compliqué que celui d’un arbre plein classique. Les dimensions telles que le diamètre et la longueur, tout comme l’épaisseur, le matériau et la charge ou le couple appliqués, ont une grande influence sur la stabilité de l’arbre creux. Si l’épaisseur et le diamètre par exemple ne présentent pas un rapport correspondant aux lois physiques, il se peut que la construction soit labile. Si l’on compare un arbre creux et un arbre plein de même diamètre, le couple transmissible de l’arbre creux n’est que légèrement plus petit.

L’arbre creux est un élément essentiel du réducteur à arbre creux qui est employé dans les véhicules à propulsion électriques tels que les trains notamment. Les arbres creux peuvent en outre entrer dans la construction d’appareils ou d’automates. 

Les différences entre arbre et essieu

Alors que les termes arbre et essieu sont souvent employés comme synonymes dans la vie de tous les jours, ils disposent dans les machines de propriétés distinctes — en matière de fonctionnement également. Contrairement à l’arbre, l’essieu ne transmet aucun couple, mais sert uniquement à supporter un élément rotatif ou oscillant. Le rôle principal de tous les essieux est donc de supporter les pièces rotatives des machines. En règle générale, ils sont dans ce cas intégrés au bâti de la machine et sont soumis à de fortes contraintes par les forces transversales et les couples de flexion.

En principe, l’essieu et l’arbre ont un fonctionnement assez similaire : ils sont tous deux capables de supporter d’autres pièces. En revanche, seuls l’arbre plein et ses autres déclinaisons de formes telles que l’arbre creux peuvent transmettre les couples. Visuellement, il est par ailleurs possible de les confondre. L’essieu comme l’arbre présentent une forme allongée ressemblant à une tige. 

Les autres formes spécifiques de l’arbre

Outre l’arbre creux, l’arbre plein se décline aussi sous d’autres formes. Celles-ci se retrouvent en règle générale dans des domaines d’application spécifiques et répondent par leurs différentes conceptions aux exigences des domaines respectifs. Les formes spécifiques comprennent par exemple les arbres dits flexibles. D’un point de vue de leur fonctionnement, ils ne sont guère différents des arbres creux et pleins, car les arbres flexibles aussi sont là pour transmettre des forces électromécaniques. Cependant, la structure de ces arbres diffère grandement. Les arbres flexibles sont ainsi composés d’un fil métallique central autour duquel sont enroulés d’autres fils, comme des fils d’acier à ressort. Les fils décrits précédemment sont enroulés en une sorte de faisceau et sont enveloppés dans une gaine de protection. La forme de construction spécifique et flexible de ces arbres se montre avantageuse notamment lorsque la transmission de la force ne peut se faire de manière linéaire ou lorsque les arbres d’entrée et de sortie ne sont pas suffisamment alignés. Les outils portatifs notamment, tels que les perceuses ou les ponceuses, sont souvent dotés d’arbres flexibles en raison des difficultés à recourir à d’autres types d’arbres.

Parmi les formes spécifiques, on trouve également le vilebrequin. La bielle-manivelle, partie intégrante de la transmission à bielle, transmet dans ce cas des mouvements de bas en haut des pistons ou transforme ceux-ci en couple. Alors que la bielle-manivelle ou vilebrequin fait aujourd’hui très souvent parti du moteur à combustion, son histoire remonte à plusieurs siècles. Ainsi, au 3e siècle apr. J.-C., la scierie de Hiérapolis est considérée comme la première machine a l’avoir utilisée ; celle-ci transformait un mouvement rotatif en mouvement linéaire au moyen d’une bielle-manivelle ou bielle.    

Après l’arbre creux, l’arbre flexible et la bielle-manivelle, l’arbre de transmission s’est fait une place dans certains domaines d’applications en raison de sa structure spécifique. Celle-ci consiste essentiellement en une barre — de longueur variable selon le modèle — aux extrémités de laquelle des articulations ou brides de raccordement effectuent une liaison dynamique. Les arbres de transmission se caractérisent par la précision de leur transmission de couple en cas de chaîne cinématique et de train de sortie décalés, ils permettent un équilibrage longitudinal et se révèlent être des alternatives d’embrayage particulièrement résistantes. Parmi les arbres de transmission les plus utilisés, l’on trouve les arbres à cardan, les arbres de synchronisation et les arbres à double joint de cardan.

Les formes d’arbres en bref : 

  • Arbre plein
  • Arbre creux
  • Arbre flexible
  • Bielle-manivelle
  • Arbre de transmission