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
d1​ = 100 mmd2​ = 250 mm1450 rpmn2​ = ?

Une poulie de 100 mm tournant à 1450 tr/min entraîne une poulie de 250 mm par une courroie avec 4 % de glissement. Trouvez la vitesse n2 de la poulie menée.

n1 = 1450 rpmd1 = 100 mmd2 = 250 mms = 4 %
n2 = rpm
2.Engrenages et trains d’engrenagesDifficile
A = 16B = 30C = 16D = 60

Dans un train d’engrenages composé, la roue A (16 dents), sur l’arbre d’entrée qui tourne à 1450 rpm, entraîne la roue B (30 dents). La roue C (16 dents) est solidaire du même arbre que B et entraîne la roue D (60 dents) sur l’arbre de sortie. Trouvez la vitesse de sortie nout.

nin = 1450 rpmA = 16B = 30C = 16D = 60
nout = rpm
3.Torsion des arbresMoyen
d1​ = 75 mmd2​ = 40 mmT = 500 N·mABC3 m2 m

Un arbre plein étagé en laiton est encastré en A. Le tronçon AB a un diamètre de 75 mm et une longueur de 3 m ; le tronçon BC a un diamètre de 40 mm et une longueur de 2 m. Un couple de 500 N·m agit à l’extrémité libre C. Trouvez la contrainte de cisaillement maximale τmax dans l’arbre.

T = 500 N·md1 = 75 mm, L1 = 3 md2 = 40 mm, L2 = 2 m
τmax = MPa
4.Torsion des arbresDifficile
d = 60 mmT0​ = 500 N·mACBa = 2 mb = 2,5 m

Un arbre plein en aluminium de diamètre 60 mm est encastré dans des murs rigides à ses deux extrémités A et B. Un couple de 500 N·m est appliqué en C, à 2 m de A et 2,5 m de B. Trouvez la contrainte de cisaillement maximale τmax dans l’arbre.

d = 60 mmT0 = 500 N·ma = 2 mb = 2,5 m
τmax = MPa
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesMoyen
σx​ = −50σy​ = −50τxy​ = 40MPa

En un point, σₓ = −50 MPa, σᵧ = −50 MPa et τₓᵧ = 40 MPa (traction positive). L’élément est tourné de 45° dans le sens horaire. Trouvez la contrainte normale σy′ sur les faces de l’élément tourné perpendiculaires à l’axe tourné y′.

σx = −50 MPaσy = −50 MPaτxy = 40 MPaθ = -45°
σy′ = MPa
6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesDifficile
σx​ = 60σy​ = 0τxy​ = −20MPa

En un point d’une pièce chargée, σₓ = 60 MPa, σᵧ = 0 MPa et τₓᵧ = −20 MPa (traction positive). Trouvez la contrainte normale σθ sur une facette dont la normale est tournée de 20° dans le sens horaire par rapport à l’axe x.

σx = 60 MPaσy = 0 MPaτxy = −20 MPaθ = -20°
σθ = MPa
7.Contrainte et déformation axialesMoyen
Ø 30 mmAluminium1 mP = 30 kN

Trouvez la déformation axiale ε dans la barre en aluminium, en microdéformations (µε = 10⁻⁶).

P = 30 kNd = 30 mmL = 1 mE = 70 GPa
ε = µε
8.Contrainte et déformation axialesDifficile
60 kN12300 mm200 mmØ20Ø50σ2​ = ?

Un tronçon en acier (diamètre 20 mm, longueur 300 mm, E = 200 GPa) et un tronçon en cuivre (diamètre 50 mm, longueur 200 mm, E = 120 GPa) sont assemblés bout à bout et fixés entre deux murs rigides. Une charge axiale de 60 kN agit à la jonction, vers le tronçon 2. Trouvez la valeur absolue de la contrainte σ2 dans le tronçon 2.

tronçon 1: acier, Ø20 mm, 300 mm, E = 200 GPatronçon 2: cuivre, Ø50 mm, 200 mm, E = 120 GPaP = 60 kN
σ2 = MPa
9.Flambement des poteauxMoyen
PL = 3 md = 60 mmsection

Un poteau de longueur L en aluminium est encastré en pied et libre en tête. Avec la formule d’Euler, trouvez sa charge critique de flambement Pcr.

L = 3 mE = 70 GPa (aluminium)d = 60 mm
Pcr = kN
10.Flambement des poteauxDifficile
PL = 4 md = 60 mmsection

Un poteau de longueur L en acier est encastré en pied et libre en tête. Trouvez son élancement et la contrainte critique de flambement σcr avec la formule d’Euler.

L = 4 mE = 200 GPa (acier)d = 60 mm
σcr = MPa
11.Vibrations mécaniquesMoyen
k = 50 kN/mc = 460 N·s/mm = 12 kg

Une masse de 12 kg est portée par un ressort de raideur 50 kN/m et un amortisseur visqueux de coefficient d’amortissement 460 N·s/m. Trouvez le taux d’amortissement ζ.

m = 12 kgk = 50 kN/mc = 460 N·s/m
ζ =
12.Vibrations mécaniquesDifficile
k1​ = 12k2​ = 15m = 25 kg

Une masse de 25 kg est suspendue à deux ressorts côte à côte (en parallèle), de raideurs k₁ = 12 kN/m et k₂ = 15 kN/m. La masse reste horizontale. Trouvez la raideur équivalente keq du système de ressorts, en kN/m.

m = 25 kgk1 = 12 kN/mk2 = 15 kN/m
keq = kN/m

3Solutions

1.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: n2 = 556,8 rpm

Transmissions par courroie : sans glissement, les deux poulies ont la même vitesse périphérique v = π·d·n/60, donc n₁·d₁ = n₂·d₂ et le rapport de vitesses vaut d₂/d₁. Le glissement s ralentit un peu la poulie menée : n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). La puissance transmise est P = (T₁ − T₂)·v, avec T₁ la tension du brin tendu et T₂ celle du brin mou. Le frottement limite le rapport des tensions : T₁/T₂ = eμθ, où θ est l’angle d’enroulement en radians sur la plus petite poulie ; pour une courroie ouverte, θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) avec l’entraxe C.

Vitesse sans glissement

1450·100/250 = 580 rpm

Avec glissement

n2 = 580·0,96 = 556,8 rpm

Réponse

n2 = 556,8 rpm
2.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: nout = 206,2 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 = 1450·16/30 = 773,3 rpm = nC

Deuxième étage

nout = 773,3·16/60 = 206,2 rpm

Réponse

nout = 206,2 rpm

rapport total = 7,031 : 1

3.Torsion des arbres

Réponse: τmax = 39,79 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 = 500 N·m = 500000 N·mm
τAB = 16·500000/(π·75³) = 6,036 MPa
τBC = 16·500000/(π·40³) = 39,79 MPa

Réponse

τmax = 39,79 MPa
4.Torsion des arbres

Réponse: τmax = 6,55 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. Quand les deux extrémités sont encastrées, la statique seule ne donne que TA + TB = T₀ ; la deuxième équation est la compatibilité (même rotation des deux parties à la section chargée).

Équilibre et compatibilité

TA + TB = 500
TA·a = TB·b
TA = 500·2,5/4,5 = 277,8 N·m
TB = 500·2/4,5 = 222,2 N·m

Contrainte de cisaillement maximale

Le plus grand des deux couples est déterminant (même diamètre).

τmax = 16·277778/(π·60³) = 6,55 MPa

Réponse

τmax = 6,55 MPa
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: σy′ = −10 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 pour la face y′

σy′ = −50 − 0·0 − 40·(−1) = −10 MPa

Vérification

La somme des contraintes normales ne change pas avec la rotation.

σx′ = −90 MPa, σx′ + σy′ = −100 = σx + σy

Réponse

σy′ = −10 MPa
6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: σθ = 65,84 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 = 30 + 30·0,766 + −20·−0,6428 = 65,84 MPa

Réponse

σθ = 65,84 MPa
7.Contrainte et déformation axiales

Réponse: ε = 606,3 µε

Loi de Hooke : dans le domaine élastique, σ = E·ε. Avec σ = P/A et ε = δ/L, on obtient δ = PL/(AE).

Contrainte

A = π·30²/4 = 706,9 mm²
σ = P/A = 30·1000/706,9 = 42,44 MPa

Déformation (loi de Hooke)

E for aluminium = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 42,44/70000 = 0,0006063 = 606,3 µε

Réponse

ε = 606,3 µε
8.Contrainte et déformation axiales

Réponse: σ2 = 25,95 MPa

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.

Rigidités

k₁ = 200000·314,2/300 = 209440 N/mm
k₂ = 120000·1963/200 = 1,178 × 10⁶ N/mm

Part du tronçon 2

F2 = 60000·1,178 × 10⁶/1,388 × 10⁶ = 50943 N

Contrainte

σ2 = 50943/1963 = 25,95 MPa (compression)

Réponse

σ2 = 25,95 MPa
9.Flambement des poteaux

Réponse: Pcr = 12,21 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

Une section circulaire a le même I par rapport à tout axe.

I = πd⁴/64 = π·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Longueur de flambement

KL = 2·3000 = 6000 mm

Charge critique

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·636173/6000² = 12209 N = 12,21 kN

Réponse

Pcr = 12,21 kN
10.Flambement des poteaux

Réponse: σcr = 6,94 MPa

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

Une section circulaire a le même I par rapport à tout axe.

I = πd⁴/64 = π·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Rayon de giration et élancement

A = 2827 mm²
r = √(I/A) = √(636173/2827) = 15 mm
KL = 2·4000 = 8000 mm
KL/r = 8000/15 = 533,3

Contrainte critique

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/533,3² = 6,94 MPa

Réponse

σcr = 6,94 MPa
11.Vibrations mécaniques

Réponse: ζ = 0,2969

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.

Amortissement critique

cc = 2·√(k·m) = 2·√(50000·12) = 1549 N·s/m

Taux d’amortissement

ζ = c/cc = 460/1549 = 0,2969

Réponse

ζ = 0,2969

ζ < 1 : le système est sous-amorti et oscille en s’amortissant.

12.Vibrations mécaniques

Réponse: keq = 27 kN/m

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 = 12 + 15 = 27 kN/m

Réponse

keq = 27 kN/m

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