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​ = 125 mmd2​ = 450 mm1500 rpmT1​ = 400 NT2​ = 160 NP = ?

Une courroie passe sur une poulie motrice de 125 mm tournant à 1500 tr/min. La tension est de 400 N sur le brin tendu et de 160 N sur le brin mou. Trouvez la puissance P transmise, en kW.

d1 = 125 mmn1 = 1500 rpmT1 = 400 NT2 = 160 N
P = kW
2.Engrenages et trains d’engrenagesDifficile
A = 18B = 36C = 24D = 40

Dans un train d’engrenages composé, la roue A (18 dents), sur l’arbre d’entrée qui tourne à 960 rpm, entraîne la roue B (36 dents). La roue C (24 dents) est solidaire du même arbre que B et entraîne la roue D (40 dents) sur l’arbre de sortie. Trouvez la vitesse de sortie nout.

nin = 960 rpmA = 18B = 36C = 24D = 40
nout = rpm
3.Torsion des arbresMoyen
d1​ = 75 mmd2​ = 20 mmT = 250 N·mABC0,8 m0,8 m

Un arbre plein étagé en aluminium est encastré en A. Le tronçon AB a un diamètre de 75 mm et une longueur de 0,8 m ; le tronçon BC a un diamètre de 20 mm et une longueur de 0,8 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 = 75 mm, L1 = 0,8 md2 = 20 mm, L2 = 0,8 m
τmax = MPa
4.Torsion des arbresDifficile
do​ = ?10 kW, 3000 rpm

Un arbre creux doit transmettre 10 kW à 3000 tr/min. Son diamètre intérieur doit valoir 0,75 fois son diamètre extérieur, et la contrainte de cisaillement ne doit pas dépasser 60 MPa. Trouvez le plus petit diamètre extérieur do.

P = 10 kWN = 3000 rpmdi/do = 0,75τallow = 60 MPa
do = mm
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesMoyen
σx​ = −70σy​ = −40τxy​ = −20MPa

En un point, σₓ = −70 MPa, σᵧ = −40 MPa et τₓᵧ = −20 MPa (traction positive). Trouvez l’angle θs, compris entre −90° et 90°, de l’axe x à la normale du plan sur lequel la contrainte de cisaillement atteint sa valeur positive maximale +R (cisaillement positif dans le même sens que τₓᵧ).

σx = −70 MPaσy = −40 MPaτxy = −20 MPa
θs = °
6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesDifficile
σx​τxy​surface de l’arbre

Un arbre plein de diamètre 20 mm supporte un effort de traction axial de 10 kN ainsi qu’un couple de 200 N·m. À la surface de l’arbre, trouvez la plus grande contrainte principale σ1.

d = 20 mmF = 10 kNT = 200 N·m
σ1 = MPa
7.Contrainte et déformation axialesMoyen
Ø 25 mmAcier2,5 mP = 45 kN

Trouvez l’allongement δ de la barre en acier sous l’effort axial.

P = 45 kNd = 25 mmL = 2,5 mE = 200 GPa
δ = mm
8.Contrainte et déformation axialesDifficile
Ø 40 mmCuivre2 mØ 20 mmAcier1 mP = 65 kN

La barre étagée est encastrée dans le mur et chargée à son extrémité libre. Trouvez la contrainte normale maximale σmax dans la barre.

P = 65 kNtronçon 1 : Ø40 mm, 2 m, cuivre (E = 117 GPa)tronçon 2 : Ø20 mm, 1 m, acier (E = 200 GPa)
σmax = MPa
9.Flambement des poteauxMoyen
PL = 5 m30 × 40 mmsection

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

L = 5 mE = 70 GPa (aluminium)b × h = 30 × 40 mm
Pcr = kN
10.Flambement des poteauxDifficile
P = 35 kNL = 3 md = ?section

Un poteau plein circulaire de longueur L en acier est encastré en pied et articulé en tête. Il doit porter 35 kN avec un coefficient de sécurité de 2 vis-à-vis du flambement. Trouvez le diamètre minimal d.

P = 35 kNn = 2L = 3 mE = 200 GPa (acier)
d = mm
11.Vibrations mécaniquesMoyen
tx40 mm1 cycle35,3 mm

Lors d’un essai de vibrations libres d’un système masse–ressort amorti, un pic de déplacement de 40 mm est suivi, un cycle plus tard, d’un pic de 35,3 mm. Trouvez le taux d’amortissement ζ.

x0 = 40 mmx1 = 35,3 mmn = 1
ζ =
12.Vibrations mécaniquesDifficile
k1​ = 5k2​ = 12m = 25 kg

Une masse de 25 kg est suspendue à deux ressorts côte à côte (en parallèle), de raideurs k₁ = 5 kN/m et k₂ = 12 kN/m. La masse reste horizontale. Trouvez la raideur équivalente keq du système de ressorts, en kN/m.

m = 25 kgk1 = 5 kN/mk2 = 12 kN/m
keq = kN/m

3Solutions

1.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: P = 2,356 kW

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 de la courroie

v = 9,817 m/s

Puissance

P = (400 − 160)·9,817 = 2356 W = 2,356 kW

Réponse

P = 2,356 kW
2.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: nout = 288 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 = 960·18/36 = 480 rpm = nC

Deuxième étage

nout = 480·24/40 = 288 rpm

Réponse

nout = 288 rpm

rapport total = 3,333 : 1

3.Torsion des arbres

Réponse: τmax = 159,2 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·75³) = 3,018 MPa
τBC = 16·250000/(π·20³) = 159,2 MPa

Réponse

τmax = 159,2 MPa
4.Torsion des arbres

Réponse: do = 15,81 mm

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.

Couple

ω = 2πN/60 = 2π·3000/60 = 314,2 rad/s
T = P/ω = 10000/314,2 = 31,83 N·m

Diamètre extérieur à partir de la contrainte admissible

T = 31,83 N·m = 31831 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,75⁴ = 0,6836
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·31831/(π·60·0,6836)) = 15,81 mm
di = 0,75·15,81 = 11,86 mm

Réponse

do = 15,81 mm

Un arbre plein nécessiterait d = 13,93 mm ; l’arbre creux est un peu plus gros mais beaucoup plus léger.

5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: θs = 71,57 °

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​

Angle sur le cercle

Sur le cercle de Mohr, le sommet (+R) est à 90° du point principal σ₁ ; sur l’élément, cela fait 45°.

cos 2θs = −20/25 = −0,8, sin 2θs = −(−15)/25 = 0,6
2θs = atan2(15, −20) = 143,1°

Angle sur l’élément

θs = 71,57°
vérification: θs − θp = 71,57 − (−63,43) = 135°

Réponse

θs = 71,57°

Les angles positifs sont comptés dans le sens antihoraire.

6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: σ1 = 144,2 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.

Contraintes à la surface

σ = F/A = 10000/(π·20²/4) = 10000/314,2 = 31,83 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·200000/(π·20³) = 127,3 MPa
στxyCσ1​σ2​

Cercle de Mohr

C = σ/2 = 15,92 MPa
R = √(15,92² + 127,3²) = 128,3 MPa
σ1 = C + R = 144,2 MPa
σ2 = C − R = −112,4 MPa

Réponse

σ1 = 144,2 MPa
7.Contrainte et déformation axiales

Réponse: δ = 1,146 mm

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·25²/4 = 490,9 mm²
σ = P/A = 45·1000/490,9 = 91,67 MPa

Déformation (loi de Hooke)

E for acier = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 91,67/200000 = 0,0004584 = 458,4 µε

Allongement

δ = ε·L = 0,0004584·2500 mm = 1,146 mm

Réponse

δ = 1,146 mm
8.Contrainte et déformation axiales

Réponse: σmax = 206,9 MPa

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 = 51,73 MPa
σ2 = 206,9 MPa

Contrainte maximale

Le tronçon le plus fin a la plus petite aire, donc il porte la plus grande contrainte.

σmax = 206,9 MPa

Réponse

σmax = 206,9 MPa
9.Flambement des poteaux

Réponse: Pcr = 5,076 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 = 40·30³/12 = 90000 mm⁴

Longueur de flambement

KL = 0,7·5000 = 3500 mm

Charge critique

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·90000/3500² = 5076 N = 5,076 kN

Réponse

Pcr = 5,076 kN
10.Flambement des poteaux

Réponse: d = 42,25 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 = 2·35000 = 70000 N
KL = 0,7·3000 = 2100 mm

Isoler le diamètre

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·70000·2100²/(π³·200000))^(1/4) = 42,25 mm

Réponse

d = 42,25 mm

Vérification : l’élancement KL/r vaut 198,8, le poteau est donc élancé et Euler s’applique.

11.Vibrations mécaniques

Réponse: ζ = 0,01989

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 = (1/1)·ln(40/35,3) = 0,125

Taux d’amortissement

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,125/√(39,48 + 0,01562) = 0,01989

Réponse

ζ = 0,01989
12.Vibrations mécaniques

Réponse: keq = 17 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 = 5 + 12 = 17 kN/m

Réponse

keq = 17 kN/m

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