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​ = 18, m = 2 mm

Un moteur de 22 kW tournant à 960 tr/min entraîne un pignon de 18 dents et de module 2 mm. Trouvez l’effort tangentiel Ft sur les dents du pignon.

P = 22 kWn = 960 rpmN1 = 18m = 2 mm
Ft = N
2.Engrenages et trains d’engrenagesDifficile
A = 16B = 36C = 16D = 30

Dans un train d’engrenages composé, la roue A (16 dents), sur l’arbre d’entrée qui tourne à 1500 rpm, entraîne la roue B (36 dents). La roue C (16 dents) est solidaire du même arbre que B et entraîne la roue D (30 dents) sur l’arbre de sortie. Trouvez la vitesse de sortie nout.

nin = 1500 rpmA = 16B = 36C = 16D = 30
nout = rpm
3.Torsion des arbresMoyen
T = 400 N·md = 40 mmL = 1 mφ = ?

Un arbre plein en aluminium est encastré dans le mur et tordu par un couple T à son extrémité libre. Trouvez l’angle de torsion φ de l’extrémité libre, en degrés.

T = 400 N·md = 40 mmL = 1 mG = 26 GPa
φ = °
4.Torsion des arbresDifficile
d = 40 mmTB​ = 750 N·mTC​ = 250 N·mABC2,5 m1 m

Un arbre plein en aluminium de diamètre 40 mm est encastré en A. Un couple de 750 N·m agit en B, à 2,5 m de A, et un couple de 250 N·m de sens opposé agit à l’extrémité libre C, 1 m plus loin. Trouvez la contrainte de cisaillement maximale τmax dans l’arbre.

d = 40 mmTB = 750 N·mTC = 250 N·mAB = 2,5 mBC = 1 m
τmax = MPa
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesMoyen
σx​ = 10σy​ = 70τxy​ = 30MPa

En un point d’une pièce chargée, σₓ = 10 MPa, σᵧ = 70 MPa et τₓᵧ = 30 MPa (traction positive). Trouvez l’angle θp entre l’axe x et la direction de la plus grande contrainte principale, compris entre −90° et 90°.

σx = 10 MPaσy = 70 MPaτxy = 30 MPa
θp = °
6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesDifficile
σx​ = −60σy​ = 20τxy​ = −60MPa

Un point d’une plaque mince est en contraintes planes : σₓ = −60 MPa, σᵧ = 20 MPa et τₓᵧ = −60 MPa (σz = 0). Le matériau a une limite d’élasticité de 250 MPa. Trouvez le coefficient de sécurité n vis-à-vis de la plastification selon le critère de von Mises (énergie de distorsion).

σx = −60 MPaσy = 20 MPaτxy = −60 MPaσY = 250 MPa
n =
7.Contrainte et déformation axialesMoyen
P = ?12300 mm500 mmØ25Ø60δ = 0,3 mm

Une barre est faite d’un tronçon en acier (diamètre 25 mm, longueur 300 mm, E = 200 GPa) assemblé bout à bout avec un tronçon en laiton (diamètre 60 mm, longueur 500 mm, E = 100 GPa). Elle est fixée à une extrémité et tirée à l’autre. Trouvez la charge axiale P qui l’allonge de 0,3 mm au total.

tronçon 1: acier, Ø25 mm, 300 mm, E = 200 GPatronçon 2: laiton, Ø60 mm, 500 mm, E = 100 GPaδ = 0,3 mm
P = kN
8.Contrainte et déformation axialesDifficile
Ø 40 mmAcier1 mØ 12 mmAluminium1,5 mP = 45 kN

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

P = 45 kNtronçon 1 : Ø40 mm, 1 m, acier (E = 200 GPa)tronçon 2 : Ø12 mm, 1,5 m, aluminium (E = 70 GPa)
δ = mm
9.Flambement des poteauxMoyen
PL = 4 m50 × 60 mmsection

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

L = 4 mE = 200 GPa (acier)b × h = 50 × 60 mm
Pcr = kN
10.Flambement des poteauxDifficile
PL = 3 md = 80 mmsection

Un poteau de longueur L en aluminium est articulé aux deux extrémités. Trouvez son élancement et la contrainte critique de flambement σcr avec la formule d’Euler.

L = 3 mE = 70 GPa (aluminium)d = 80 mm
σcr = MPa
11.Vibrations mécaniquesMoyen
tx50 mm4 cycles4 mm

Lors d’un essai de vibrations libres d’un système masse–ressort amorti, un pic de déplacement de 50 mm est suivi, 4 cycles plus tard, d’un pic de 4 mm. Trouvez le taux d’amortissement ζ.

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

Une masse de 40 kg est suspendue à deux ressorts reliés bout à bout (en série) : le ressort du haut a k₁ = 20 kN/m et celui du bas k₂ = 40 kN/m. Trouvez la raideur équivalente keq du système de ressorts, en kN/m.

m = 40 kgk1 = 20 kN/mk2 = 40 kN/m
keq = kN/m

3Solutions

1.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: Ft = 12158 N

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.

Couple sur le pignon

ω = 2π·960/60 = 100,5 rad/s
T = P/ω = 22000/100,5 = 218,8 N·m

Diamètre primitif

d = m·N = 2·18 = 36 mm

Effort tangentiel

Ft = 2T/d = 2·218,8/0,036 = 12158 N

Réponse

Ft = 12158 N
2.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: nout = 355,6 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 = 1500·16/36 = 666,7 rpm = nC

Deuxième étage

nout = 666,7·16/30 = 355,6 rpm

Réponse

nout = 355,6 rpm

rapport total = 4,219 : 1

3.Torsion des arbres

Réponse: φ = 3,507 °

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.

Moment quadratique polaire

J = π·40⁴/32 = 251327 mm⁴

Angle de torsion

φ = TL/(GJ) = 400·1000·1000/(26000·251327) = 0,06121 rad
φ = 0,06121·180/π = 3,507°

Réponse

φ = 3,507°
4.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.

Couples internes

Sens de TC pris comme positif.

TBC = TC = 250 N·m
TAB = TC − TB = 250 − 750 = −500 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 = 500 N·m
τmax = 16·500000/(π·40³) = 39,79 MPa

Réponse

τmax = 39,79 MPa
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: θp = 67,5 °

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.

στxyCσ1​σ2​

Angle sur le cercle

Sur le cercle de Mohr, le point x se trouve à un angle 2θp de l’axe σ ; le quadrant découle des signes de σₓ − σᵧ et de τₓᵧ.

2θp = atan2(2·30, 10 − 70) = 135°

Angle sur l’élément

θp = 67,5°

Réponse

θp = 67,5°

Les angles positifs sont comptés dans le sens antihoraire.

6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: n = 1,976

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. Critères de plasticité : von Mises prévoit la plastification quand σvM = √(σ₁² − σ₁σ₂ + σ₂²) atteint σY ; Tresca quand la contrainte de cisaillement maximale absolue atteint σY/2.

στxyCσ1​σ2​

Contraintes principales

C = −20 MPa, R = 72,11 MPa
σ1 = 52,11 MPa, σ2 = −92,11 MPa, σ3 = 0

Von Mises

σvM = √(52,11² − 52,11·(−92,11) + (−92,11)²) = 126,5 MPa
n = 250/126,5 = 1,976

Réponse

n = 1,976

n > 1 signifie que le point ne se plastifie pas ; Tresca est un peu plus conservatif que von Mises.

7.Contrainte et déformation axiales

Réponse: P = 62,19 kN

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

A₁ = 490,9 mm², A₂ = 2827 mm²

Souplesses

L₁/(E₁A₁) = 300/(200000·490,9) = 3,056 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 500/(100000·2827) = 1,768 × 10⁻⁶ mm/N

Charge

P = 0,3/4,824 × 10⁻⁶ = 62187 N = 62,19 kN

Réponse

P = 62,19 kN
8.Contrainte et déformation axiales

Réponse: δ = 8,705 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·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 35,81 MPa
σ2 = 397,9 MPa

Additionner les allongements des tronçons

δ1 = σ1L1/E1 = 35,81·1000/200000 = 0,179 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 397,9·1500/70000 = 8,526 mm
δ = δ1 + δ2 = 8,705 mm

Réponse

δ = 8,705 mm
9.Flambement des poteaux

Réponse: Pcr = 19,28 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 = 60·50³/12 = 625000 mm⁴

Longueur de flambement

KL = 2·4000 = 8000 mm

Charge critique

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·625000/8000² = 19277 N = 19,28 kN

Réponse

Pcr = 19,28 kN
10.Flambement des poteaux

Réponse: σcr = 30,71 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·80⁴/64 = 2,011 × 10⁶ mm⁴

Rayon de giration et élancement

A = 5027 mm²
r = √(I/A) = √(2,011 × 10⁶/5027) = 20 mm
KL = 1·3000 = 3000 mm
KL/r = 3000/20 = 150

Contrainte critique

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/150² = 30,71 MPa

Réponse

σcr = 30,71 MPa
11.Vibrations mécaniques

Réponse: ζ = 0,09999

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(50/4) = 0,6314

Taux d’amortissement

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,6314/√(39,48 + 0,3987) = 0,09999

Réponse

ζ = 0,09999
12.Vibrations mécaniques

Réponse: keq = 13,33 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 en série subissent la même force et leurs allongements s’additionnent ; ils se combinent donc par leurs inverses : 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/20 + 1/40 → keq = 20·40/(20 + 40) = 13,33 kN/m

Réponse

keq = 13,33 kN/m

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