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​ = 160 mmd2​ = 250 mm1450 rpmT1​ = 600 NT2​ = 300 NP = ?

Une courroie passe sur une poulie motrice de 160 mm tournant à 1450 tr/min. La tension est de 600 N sur le brin tendu et de 300 N sur le brin mou. Trouvez la puissance P transmise, en kW.

d1 = 160 mmn1 = 1450 rpmT1 = 600 NT2 = 300 N
P = kW
2.Engrenages et trains d’engrenagesDifficile
A = 24B = 50C = 16D = 30

Dans un train d’engrenages composé, la roue A (24 dents), sur l’arbre d’entrée qui tourne à 1450 rpm, entraîne la roue B (50 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 = 1450 rpmA = 24B = 50C = 16D = 30
nout = rpm
3.Torsion des arbresMoyen
d = 12 mmT = 30 N·m200 mmφ = 6,49°

Lors d’un essai de torsion, une éprouvette pleine de diamètre 12 mm est soumise à un couple de 30 N·m. Les deux extrémités d’une longueur de mesure de 200 mm tournent de 6,49° l’une par rapport à l’autre (le matériau est encore élastique). Trouvez le module de cisaillement G du matériau.

T = 30 N·md = 12 mmL = 200 mmφ = 6,49°
G = GPa
4.Torsion des arbresDifficile
Td = ?

Un arbre plein doit transmettre 100 kW à 300 tr/min sans que la contrainte de cisaillement dépasse 40 MPa. Trouvez le plus petit diamètre d qui convient.

P = 100 kWN = 300 rpmτallow = 40 MPa
d = mm
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesMoyen
σx​ = 30σy​ = 30MPaτxy​ = ?

En un point, σₓ = 30 MPa et σᵧ = 30 MPa. Jusqu’à quelle valeur la contrainte de cisaillement τxy (en valeur absolue) peut-elle monter avant que la plus grande contrainte principale atteigne 50 MPa ?

σx = 30 MPaσy = 30 MPaσ1 = 50 MPa
τxy = MPa
6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesDifficile
σx​ = 140σy​ = 120τxy​ = −30MPa

Un point d’une plaque mince est en contraintes planes : σₓ = 140 MPa, σᵧ = 120 MPa et τₓᵧ = −30 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 Tresca (cisaillement maximal).

σx = 140 MPaσy = 120 MPaτxy = −30 MPaσY = 250 MPa
n =
7.Contrainte et déformation axialesMoyen
200 kNØ30120 GPaØ120/50300 mmδ = ?

Une tige en acier (diamètre 30 mm, E = 200 GPa) se trouve à l’intérieur d’un tube en cuivre (diamètre extérieur 120 mm, diamètre intérieur 50 mm, E = 120 GPa). Les deux mesurent 300 mm de long et sont comprimés ensemble entre des plaques rigides par 200 kN. Trouvez le raccourcissement δ.

P = 200 kNbarre: Ø30 mm, E = 200 GPatube: Ø120/Ø50 mm, E = 120 GPaL = 300 mm
δ = mm
8.Contrainte et déformation axialesDifficile
Ø 25 mmLaiton1 mØ 12 mmAluminium0,5 mP = 90 kN

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

P = 90 kNtronçon 1 : Ø25 mm, 1 m, laiton (E = 100 GPa)tronçon 2 : Ø12 mm, 0,5 m, aluminium (E = 70 GPa)
δ = mm
9.Flambement des poteauxMoyen
PL = 6 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 = 6 mE = 200 GPa (acier)b × h = 50 × 60 mm
Pcr = kN
10.Flambement des poteauxDifficile
PL = 3 md = 30 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 = 3 mE = 200 GPa (acier)d = 30 mm
σcr = MPa
11.Vibrations mécaniquesMoyen
k = 200 kN/mc = 320 N·s/mm = 50 kg

Une masse de 50 kg est portée par un ressort de raideur 200 kN/m et un amortisseur visqueux de coefficient d’amortissement 320 N·s/m. Trouvez le taux d’amortissement ζ.

m = 50 kgk = 200 kN/mc = 320 N·s/m
ζ =
12.Vibrations mécaniquesDifficile
k1​ = 25k2​ = 5m = 5 kg

Une masse de 5 kg est suspendue à deux ressorts reliés bout à bout (en série) : le ressort du haut a k₁ = 25 kN/m et celui du bas k₂ = 5 kN/m. Trouvez la raideur équivalente keq du système de ressorts, en kN/m.

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

3Solutions

1.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: P = 3,644 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 = 12,15 m/s

Puissance

P = (600 − 300)·12,15 = 3644 W = 3,644 kW

Réponse

P = 3,644 kW
2.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: nout = 371,2 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 = 1450·24/50 = 696 rpm = nC

Deuxième étage

nout = 696·16/30 = 371,2 rpm

Réponse

nout = 371,2 rpm

rapport total = 3,906 : 1

3.Torsion des arbres

Réponse: G = 26,02 GPa

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 polaire et angle

J = π·12⁴/32 = 2036 mm⁴
φ = 6,49·π/180 = 0,1133 rad

Module de cisaillement

T = 30 N·m = 30000 N·mm
G = TL/(Jφ) = 30000·200/(2036·0,1133) = 26020 MPa
G = 26,02 GPa

Réponse

G = 26,02 GPa

Pour comparaison : acier ≈ 80 GPa, laiton ≈ 39 GPa, aluminium ≈ 26 GPa.

4.Torsion des arbres

Réponse: d = 74 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·300/60 = 31,42 rad/s
T = P/ω = 100000/31,42 = 3183 N·m

Diamètre à partir de la contrainte admissible

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·3,183 × 10⁶/(π·40)) = 74 mm

Réponse

d = 74 mm

En pratique, on arrondirait au diamètre normalisé supérieur.

5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: τxy = 20 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.

Rayon requis

C = (30 + 30)/2 = 30 MPa
R = σ1 − C = 50 − 30 = 20 MPa
στxyCσ1​σ2​

Contrainte de cisaillement

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(20² − 0²) = 20 MPa

Réponse

τxy = 20 MPa
6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: n = 1,547

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.

σxyCσ1​σ2​

Contraintes principales

C = 130 MPa, R = 31,62 MPa
σ1 = 161,6 MPa, σ2 = 98,38 MPa, σ3 = 0

Tresca

σmax − σmin = 161,6 MPa
n = 250/161,6 = 1,547

Réponse

n = 1,547

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: δ = 0,04751 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(120² − 50²)/4 = 9346 mm²

Rigidité axiale combinée

ΣEA = 200·10³·706,9 + 120·10³·9346 = 1,263 × 10⁹ N

Raccourcissement

δ = 200000·300/1,263 × 10⁹ = 0,04751 mm

Réponse

δ = 0,04751 mm
8.Contrainte et déformation axiales

Réponse: δ = 7,518 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·25²/4 = 490,9 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 183,3 MPa
σ2 = 795,8 MPa

Additionner les allongements des tronçons

δ1 = σ1L1/E1 = 183,3·1000/100000 = 1,833 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 795,8·500/70000 = 5,684 mm
δ = δ1 + δ2 = 7,518 mm

Réponse

δ = 7,518 mm
9.Flambement des poteaux

Réponse: Pcr = 8,567 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 = 2·6000 = 12000 mm

Charge critique

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·625000/12000² = 8567 N = 8,567 kN

Réponse

Pcr = 8,567 kN
10.Flambement des poteaux

Réponse: σcr = 3,084 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·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Rayon de giration et élancement

A = 706,9 mm²
r = √(I/A) = √(39761/706,9) = 7,5 mm
KL = 2·3000 = 6000 mm
KL/r = 6000/7,5 = 800

Contrainte critique

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/800² = 3,084 MPa

Réponse

σcr = 3,084 MPa
11.Vibrations mécaniques

Réponse: ζ = 0,0506

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·√(200000·50) = 6325 N·s/m

Taux d’amortissement

ζ = c/cc = 320/6325 = 0,0506

Réponse

ζ = 0,0506

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

12.Vibrations mécaniques

Réponse: keq = 4,167 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 = 1/25 + 1/5 → keq = 25·5/(25 + 5) = 4,167 kN/m

Réponse

keq = 4,167 kN/m

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