Conception de machines : pack de révision

Formulaires, étapes clés de la méthode pour chaque thème et 12 exercices, avec les corrigés complets à la fin.

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1Formules et méthodes

Engrenages et trains d’engrenages

Roues en prise
n1·N1 = n2·N2
Couple
T2 = T1·(N2/N1)·η
Puissance
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Train composé
rapport total = produit des rapports de chaque étage

Torsion des arbres

Contrainte de cisaillement
τ = T·r/J
Arbre plein
J = πd⁴/32
Arbre creux
J = π(D⁴ − d⁴)/32
Angle de torsion
φ = TL/(GJ)
Puissance
P = T·ω = 2πnT/60

Méthode

  1. Trouvez le moment quadratique polaire : J = πd⁴/32 pour un arbre plein.
  2. Contrainte de cisaillement en surface : τ = T·r/J, avec r le rayon extérieur.
  3. Angle de torsion : φ = TL/(GJ) en radians.
  4. Si la puissance est donnée, trouvez d’abord le couple avec P = T·ω, ω = 2πn/60.

Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Centre
C = (σx + σy)/2
Rayon
R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
Contraintes principales
σ1,2 = C ± R
Direction principale
tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
Facette inclinée
σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ

Méthode

  1. Calculez le centre du cercle de Mohr : C = (σx + σy)/2.
  2. Calculez le rayon : R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
  3. Les contraintes principales valent C ± R et la plus grande contrainte de cisaillement dans le plan vaut R.
  4. Les angles sur le cercle sont le double des angles sur l’élément : tan 2θp = 2τxy/(σx − σy).

Contrainte et déformation axiales

Contrainte normale
σ = F/A
Déformation
ε = ΔL/L
Loi de Hooke
σ = E·ε
Allongement
ΔL = FL/(EA)
Déformation thermique
εT = α·ΔT

Flambement des poteaux

Charge critique d’Euler
Pcr = π²EI/(KL)²
Coefficient de longueur de flambement
K = 1 articulé–articulé, 0,5 encastré–encastré, 0,7 encastré–articulé, 2 encastré–libre
Contrainte critique
σcr = Pcr/A
Élancement
λ = KL/r, r = √(I/A)

Vibrations mécaniques

Fréquence propre
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
À partir de la flèche statique
ωn = √(g/δst)
Amortissement critique
cc = 2√(km) = 2mωn
Taux d’amortissement
ζ = c/cc
Fréquence amortie
ωd = ωn√(1 − ζ²)
Décrément logarithmique
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
Ressorts en parallèle
k = k1 + k2
Ressorts en série
1/k = 1/k1 + 1/k2

2Exercices

1.Engrenages et trains d’engrenagesMoyen
N1​N2​ = ?

Deux arbres parallèles sont distants de 60 mm. Ils doivent être reliés par un engrenage à denture droite de module 1,5 mm avec un rapport de réduction de 4 : 1. Combien de dents N2 la roue doit-elle avoir ?

a = 60 mmm = 1,5 mmi = 4
N2 =
2.Engrenages et trains d’engrenagesDifficile
A = 30B = 45C = 40D = 45

Dans un train d’engrenages composé, la roue A (30 dents), sur l’arbre d’entrée qui tourne à 3000 rpm, entraîne la roue B (45 dents). La roue C (40 dents) est solidaire du même arbre que B et entraîne la roue D (45 dents) sur l’arbre de sortie. Trouvez la vitesse de sortie nout.

nin = 3000 rpmA = 30B = 45C = 40D = 45
nout = rpm
3.Torsion des arbresMoyen
d1​ = 40 mmd2​ = 25 mmT = 250 N·mABC1 m1,2 m

Un arbre plein étagé en acier est encastré en A. Le tronçon AB a un diamètre de 40 mm et une longueur de 1 m ; le tronçon BC a un diamètre de 25 mm et une longueur de 1,2 m. Un couple de 250 N·m agit à l’extrémité libre C. Trouvez la contrainte de cisaillement maximale τmax dans l’arbre.

T = 250 N·md1 = 40 mm, L1 = 1 md2 = 25 mm, L2 = 1,2 m
τmax = MPa
4.Torsion des arbresDifficile
d = 30 mmTB​ = 500 N·mTC​ = 1500 N·mABC0,8 m2 m

Un arbre plein en laiton de diamètre 30 mm est encastré en A. Un couple de 500 N·m agit en B, à 0,8 m de A, et un couple de 1500 N·m de sens opposé agit à l’extrémité libre C, 2 m plus loin. Trouvez la contrainte de cisaillement maximale τmax dans l’arbre.

d = 30 mmTB = 500 N·mTC = 1500 N·mAB = 0,8 mBC = 2 m
τmax = MPa
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesMoyen
σx​ = 120σy​ = 30τxy​ = −50MPa

En un point d’une pièce chargée, σₓ = 120 MPa, σᵧ = 30 MPa et τₓᵧ = −50 MPa (traction positive). Trouvez la contrainte de cisaillement maximale dans le plan τmax.

σx = 120 MPaσy = 30 MPaτxy = −50 MPa
τmax = MPa
6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesDifficile
σx​ = −70σy​ = 80τxy​ = 50MPa

En un point d’une pièce chargée, σₓ = −70 MPa, σᵧ = 80 MPa et τₓᵧ = 50 MPa (traction positive). Trouvez la contrainte normale σθ sur une facette dont la normale est tournée de 40° dans le sens antihoraire par rapport à l’axe x.

σx = −70 MPaσy = 80 MPaτxy = 50 MPaθ = 40°
σθ = MPa
7.Contrainte et déformation axialesMoyen
100 kNØ30120 GPaØ100/50800 mmδ = ?

Une tige en acier (diamètre 30 mm, E = 200 GPa) se trouve à l’intérieur d’un tube en cuivre (diamètre extérieur 100 mm, diamètre intérieur 50 mm, E = 120 GPa). Les deux mesurent 800 mm de long et sont comprimés ensemble entre des plaques rigides par 100 kN. Trouvez le raccourcissement δ.

P = 100 kNbarre: Ø30 mm, E = 200 GPatube: Ø100/Ø50 mm, E = 120 GPaL = 800 mm
δ = mm
8.Contrainte et déformation axialesDifficile
Ø 40 mmAluminium2 mØ 20 mmAluminium0,5 mP = 60 kN

La barre étagée est encastrée dans le mur et chargée à son extrémité libre. Trouvez l’allongement total δ.

P = 60 kNtronçon 1 : Ø40 mm, 2 m, aluminium (E = 70 GPa)tronçon 2 : Ø20 mm, 0,5 m, aluminium (E = 70 GPa)
δ = mm
9.Flambement des poteauxMoyen
PL = 2 m25 × 100 mmsection

Un poteau de longueur L en acier est articulé aux deux extrémités. Avec la formule d’Euler, trouvez sa charge critique de flambement Pcr.

L = 2 mE = 200 GPa (acier)b × h = 25 × 100 mm
Pcr = kN
10.Flambement des poteauxDifficile
P = 85 kNL = 5 md = ?section

Un poteau plein circulaire de longueur L en acier est encastré en pied et articulé en tête. Il doit porter 85 kN avec un coefficient de sécurité de 3 vis-à-vis du flambement. Trouvez le diamètre minimal d.

P = 85 kNn = 3L = 5 mE = 200 GPa (acier)
d = mm
11.Vibrations mécaniquesMoyen
tx20 mm4 cycles7,3 mm

Lors d’un essai de vibrations libres d’un système masse–ressort amorti, un pic de déplacement de 20 mm est suivi, 4 cycles plus tard, d’un pic de 7,3 mm. Trouvez le taux d’amortissement ζ.

x0 = 20 mmx4 = 7,3 mmn = 4
ζ =
12.Vibrations mécaniquesDifficile
k1​ = 5k2​ = 50m = 40 kg

Une masse de 40 kg est suspendue à deux ressorts côte à côte (en parallèle), de raideurs k₁ = 5 kN/m et k₂ = 50 kN/m. La masse reste horizontale. Négligez l’amortissement et les masses des ressorts. Trouvez la fréquence propre fn des vibrations verticales, en Hz.

m = 40 kgk1 = 5 kN/mk2 = 50 kN/m
fn = Hz

3Solutions

1.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: N2 = 64

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

Nombre total de dents

N1 + N2 = 2a/m = 2·60/1,5 = 80

Répartir selon le rapport

N1 = 80/(1 + 4) = 16
N2 = 4·16 = 64

Réponse

N2 = 64
2.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: nout = 1778 rpm

Trains d’engrenages : des roues en prise ont la même vitesse au niveau des dents, donc n₁·N₁ = n₂·N₂ : la roue qui a le moins de dents tourne le plus vite. Des roues montées sur un même arbre tournent à la même vitesse. La puissance est transmise (aux pertes près), donc le couple augmente quand la vitesse diminue : T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, et P = T·ω avec ω = 2π·n/60.

Premier étage

nB = 3000·30/45 = 2000 rpm = nC

Deuxième étage

nout = 2000·40/45 = 1778 rpm

Réponse

nout = 1778 rpm

rapport total = 1,688 : 1

3.Torsion des arbres

Réponse: τmax = 81,49 MPa

Torsion des arbres circulaires : la contrainte de cisaillement croît linéairement de zéro au centre jusqu’à τmax = T·r/J en surface, avec J = πd⁴/32 pour un arbre plein et J = π(do⁴ − di⁴)/32 pour un arbre creux. L’angle de torsion vaut φ = TL/(GJ) en radians. Puissance et couple sont liés par P = T·ω.

Contrainte dans chaque tronçon

T = 250 N·m = 250000 N·mm
τAB = 16·250000/(π·40³) = 19,89 MPa
τBC = 16·250000/(π·25³) = 81,49 MPa

Réponse

τmax = 81,49 MPa
4.Torsion des arbres

Réponse: τmax = 282,9 MPa

Torsion des arbres circulaires : la contrainte de cisaillement croît linéairement de zéro au centre jusqu’à τmax = T·r/J en surface, avec J = πd⁴/32 pour un arbre plein et J = π(do⁴ − di⁴)/32 pour un arbre creux. L’angle de torsion vaut φ = TL/(GJ) en radians. Puissance et couple sont liés par P = T·ω.

Couples internes

Sens de TC pris comme positif.

TBC = TC = 1500 N·m
TAB = TC − TB = 1500 − 500 = 1000 N·m

Contrainte de cisaillement maximale

Le tronçon dont le couple interne est le plus grand a la plus grande contrainte (même diamètre).

|T|max = 1500 N·m
τmax = 16·1,5 × 10⁶/(π·30³) = 282,9 MPa

Réponse

τmax = 282,9 MPa
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: τmax = 67,27 MPa

Changement de repère en contraintes planes : sur une facette tournée de θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Le cercle de Mohr représente toutes les facettes à la fois : son centre est en C = (σₓ + σᵧ)/2 et son rayon vaut R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Les contraintes principales valent C ± R, et la plus grande contrainte de cisaillement dans le plan vaut R.

στxyCτmax​

Rayon du cercle de Mohr

τmax = R = √(((120 − 30)/2)² + −50²) = 67,27 MPa

Réponse

τmax = 67,27 MPa
6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: σθ = 41,22 MPa

Changement de repère en contraintes planes : sur une facette tournée de θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Le cercle de Mohr représente toutes les facettes à la fois : son centre est en C = (σₓ + σᵧ)/2 et son rayon vaut R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Les contraintes principales valent C ± R, et la plus grande contrainte de cisaillement dans le plan vaut R.

Formule de changement de repère

σθ = 5 + −75·0,1736 + 50·0,9848 = 41,22 MPa

Réponse

σθ = 41,22 MPa
7.Contrainte et déformation axiales

Réponse: δ = 0,09431 mm

Deux matériaux : en série (l’un après l’autre), chaque tronçon supporte le même effort et les allongements s’additionnent : δ = P·Σ L/(E·A). En parallèle (côte à côte entre des plaques rigides), les deux parties se raccourcissent de la même quantité, donc leurs déformations sont égales : la partie la plus rigide prend la plus grande part, Pi = P·EiAi/ΣEA, et σi = Ei·ε. Une barre tenue entre deux murs rigides avec une charge à la jonction est hyperstatique : les deux tronçons se partagent la charge proportionnellement à leur rigidité k = EA/L.

Aires

Ar = π·30²/4 = 706,9 mm²
At = π(100² − 50²)/4 = 5890 mm²

Rigidité axiale combinée

ΣEA = 200·10³·706,9 + 120·10³·5890 = 8,482 × 10⁸ N

Raccourcissement

δ = 100000·800/8,482 × 10⁸ = 0,09431 mm

Réponse

δ = 0,09431 mm
8.Contrainte et déformation axiales

Réponse: δ = 2,728 mm

Éléments en charge axiale : chaque tronçon prismatique vérifie δ = PL/(AE). Pour des tronçons en série, les allongements s’additionnent.

Même effort dans les deux tronçons

L’extrémité libre porte P, donc chaque section de la barre transmet le même effort normal P. Seules les aires et les matériaux changent.

A1 = π·40²/4 = 1257 mm², A2 = π·20²/4 = 314,2 mm²
σ1 = 47,75 MPa
σ2 = 191 MPa

Additionner les allongements des tronçons

δ1 = σ1L1/E1 = 47,75·2000/70000 = 1,364 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 191·500/70000 = 1,364 mm
δ = δ1 + δ2 = 2,728 mm

Réponse

δ = 2,728 mm
9.Flambement des poteaux

Réponse: Pcr = 64,26 kN

Flambement d’Euler : un poteau élancé devient instable à Pcr = π²EI/(KL)², où KL est la longueur de flambement : K = 1 pour articulé–articulé, 2 pour encastré–libre, 0,7 pour encastré–articulé et 0,5 pour encastré–encastré. Il flambe autour de l’axe ayant le plus petit I. La formule vaut pour les poteaux élancés, dont la contrainte critique reste sous la limite d’élasticité.

Plus petit moment quadratique

Un rectangle flambe autour de son axe faible, avec la plus petite dimension au cube.

Imin = h·b³/12 = 100·25³/12 = 130208 mm⁴

Longueur de flambement

KL = 1·2000 = 2000 mm

Charge critique

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·130208/2000² = 64255 N = 64,26 kN

Réponse

Pcr = 64,26 kN
10.Flambement des poteaux

Réponse: d = 75,35 mm

Flambement d’Euler : un poteau élancé devient instable à Pcr = π²EI/(KL)², où KL est la longueur de flambement : K = 1 pour articulé–articulé, 2 pour encastré–libre, 0,7 pour encastré–articulé et 0,5 pour encastré–encastré. Il flambe autour de l’axe ayant le plus petit I. La formule vaut pour les poteaux élancés, dont la contrainte critique reste sous la limite d’élasticité.

Charge critique nécessaire

Pcr = n·P = 3·85000 = 255000 N
KL = 0,7·5000 = 3500 mm

Isoler le diamètre

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·255000·3500²/(π³·200000))^(1/4) = 75,35 mm

Réponse

d = 75,35 mm

Vérification : l’élancement KL/r vaut 185,8, le poteau est donc élancé et Euler s’applique.

11.Vibrations mécaniques

Réponse: ζ = 0,04007

Vibrations libres d’un système masse–ressort : la pulsation propre non amortie vaut ωn = √(k/m) en rad/s, et fn = ωn/(2π) en Hz. Un amortisseur visqueux c donne le taux d’amortissement ζ = c/cc, avec l’amortissement critique cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Un système sous-amorti (ζ < 1) oscille à ωd = ωn·√(1 − ζ²). Des ressorts en parallèle s’additionnent, k = k₁ + k₂ ; des ressorts en série s’additionnent par leurs inverses, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Décrément logarithmique

δ = (1/4)·ln(20/7,3) = 0,252

Taux d’amortissement

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,252/√(39,48 + 0,06349) = 0,04007

Réponse

ζ = 0,04007
12.Vibrations mécaniques

Réponse: fn = 5,902 Hz

Vibrations libres d’un système masse–ressort : la pulsation propre non amortie vaut ωn = √(k/m) en rad/s, et fn = ωn/(2π) en Hz. Un amortisseur visqueux c donne le taux d’amortissement ζ = c/cc, avec l’amortissement critique cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Un système sous-amorti (ζ < 1) oscille à ωd = ωn·√(1 − ζ²). Des ressorts en parallèle s’additionnent, k = k₁ + k₂ ; des ressorts en série s’additionnent par leurs inverses, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Raideur équivalente

Des ressorts côte à côte ont le même allongement et leurs forces s’additionnent ; leurs raideurs s’additionnent donc simplement : k = k1 + k2.

keq = 5 + 50 = 55 kN/m

Fréquence propre

ωn = √(55000/40) = 37,08 rad/s
fn = 37,08/(2π) = 5,902 Hz

Réponse

fn = 5,902 Hz

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