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.

Nouveaux exercicesRetour au cours

Dans la fenêtre d’impression, choisissez « Enregistrer au format PDF » pour garder une copie sur votre appareil.

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​ = 80 mmd2​ = 450 mm1440 rpmn2​ = ?

Une poulie de 80 mm tournant à 1440 tr/min entraîne une poulie de 450 mm par une courroie avec 1,5 % de glissement. Trouvez la vitesse n2 de la poulie menée.

n1 = 1440 rpmd1 = 80 mmd2 = 450 mms = 1,5 %
n2 = rpm
2.Engrenages et trains d’engrenagesDifficile
d1​ = 125 mmd2​ = 400 mm960 rpmC = 1200 mmT1​ = 500 NT2​P = ?

Une courroie ouverte relie une poulie motrice de 125 mm tournant à 960 tr/min à une poulie de 400 mm ; les centres sont distants de 1200 mm. Le coefficient de frottement est 0,35 et la tension du brin tendu ne doit pas dépasser 500 N. Trouvez la plus grande puissance P que la courroie peut transmettre sans glisser, en kW (négligez les effets centrifuges).

d1 = 125 mmn1 = 960 rpmd2 = 400 mmC = 1200 mmμ = 0,35T1 = 500 N
P = kW
3.Torsion des arbresMoyen
d1​ = 75 mmd2​ = 60 mmT = 2000 N·mABC0,8 m1,2 m

Un arbre plein étagé en laiton 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 60 mm et une longueur de 1,2 m. Un couple de 2000 N·m agit à l’extrémité libre C. Trouvez l’angle de torsion φC de l’extrémité C, en degrés.

T = 2000 N·md1 = 75 mm, L1 = 0,8 md2 = 60 mm, L2 = 1,2 mG = 39 GPa
φC = °
4.Torsion des arbresDifficile
Td = ?

Un arbre plein doit transmettre 100 kW à 500 tr/min sans que la contrainte de cisaillement dépasse 50 MPa. Trouvez le plus petit diamètre d qui convient.

P = 100 kWN = 500 rpmτallow = 50 MPa
d = mm
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesMoyen
σx​ = 100σy​ = −20τxy​ = −60MPa

En un point d’une pièce chargée, σₓ = 100 MPa, σᵧ = −20 MPa et τₓᵧ = −60 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 = 100 MPaσy = −20 MPaτxy = −60 MPa
θp = °
6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesDifficile
σx​τxy​surface supérieure de l’arbre

Un arbre plein de diamètre 50 mm supporte un moment fléchissant de 1000 N·m ainsi qu’un couple de 1500 N·m. À la surface supérieure, où la contrainte de flexion est une traction maximale, trouvez la contrainte de cisaillement maximale dans le plan τmax.

d = 50 mmM = 1000 N·mT = 1500 N·m
τmax = MPa
7.Contrainte et déformation axialesMoyen
Ø 10 mmAcier1,5 mP = 90 kN

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

P = 90 kNd = 10 mmL = 1,5 mE = 200 GPa
δ = mm
8.Contrainte et déformation axialesDifficile
P = ?Ø25120 GPaØ80/60300 mm

Une tige en acier (diamètre 25 mm, E = 200 GPa, contrainte admissible 200 MPa) se trouve à l’intérieur d’un tube en cuivre (diamètre extérieur 80 mm, diamètre intérieur 60 mm, E = 120 GPa, contrainte admissible 50 MPa). Ils sont comprimés ensemble entre des plaques rigides. Trouvez la plus grande charge Pmax.

barre: Ø25 mm, E = 200 GPa, σallow = 200 MPatube: Ø80/Ø60 mm, E = 120 GPa, σallow = 50 MPa
Pmax = kN
9.Flambement des poteauxMoyen
PL = 2,5 md = 80 mmsection

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

L = 2,5 mE = 70 GPa (aluminium)d = 80 mm
Pcr = kN
10.Flambement des poteauxDifficile
PL = 5 md = 50 mmsection

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

L = 5 mE = 70 GPa (aluminium)d = 50 mm
σcr = MPa
11.Vibrations mécaniquesMoyen
tx20 mm2 cycles4,4 mm

Lors d’un essai de vibrations libres d’un système masse–ressort amorti, un pic de déplacement de 20 mm est suivi, 2 cycles plus tard, d’un pic de 4,4 mm. Trouvez le taux d’amortissement ζ.

x0 = 20 mmx2 = 4,4 mmn = 2
ζ =
12.Vibrations mécaniquesDifficile
k1​ = 80k2​ = 40m = 50 kg

Une masse de 50 kg est suspendue à deux ressorts reliés bout à bout (en série) : le ressort du haut a k₁ = 80 kN/m et celui du bas k₂ = 40 kN/m. Trouvez la raideur équivalente keq du système de ressorts, en kN/m.

m = 50 kgk1 = 80 kN/mk2 = 40 kN/m
keq = kN/m

3Solutions

1.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: n2 = 252,2 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

1440·80/450 = 256 rpm

Avec glissement

n2 = 256·0,985 = 252,2 rpm

Réponse

n2 = 252,2 rpm
2.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: P = 2,008 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.

Angle d’enroulement

θ = 2,912 rad

Tension du brin mou

eμθ = e1,019 = 2,771, T₂ = 500/2,771 = 180,4 N

Puissance

P = (500 − 180,4)·6,283 = 2,008 kW

Réponse

P = 2,008 kW
3.Torsion des arbres

Réponse: φC = 3,528 °

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.

Moments polaires

J1 = π·75⁴/32 = 3,106 × 10⁶ mm⁴
J2 = π·60⁴/32 = 1,272 × 10⁶ mm⁴

Torsion de chaque tronçon

T = 2000 N·m = 2 × 10⁶ N·mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φAB = 2 × 10⁶·800/(39000·3,106 × 10⁶) = 0,01321 rad
φBC = 2 × 10⁶·1200/(39000·1,272 × 10⁶) = 0,04837 rad

Torsion totale

φC = 0,01321 + 0,04837 = 0,06157 rad = 3,528°

Réponse

φC = 3,528°
4.Torsion des arbres

Réponse: d = 57,94 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·500/60 = 52,36 rad/s
T = P/ω = 100000/52,36 = 1910 N·m

Diamètre à partir de la contrainte admissible

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·1,91 × 10⁶/(π·50)) = 57,94 mm

Réponse

d = 57,94 mm

En pratique, on arrondirait au diamètre normalisé supérieur.

5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: θp = −22,5 °

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·−60, 100 − −20) = −45°

Angle sur l’élément

θp = −22,5°

Réponse

θp = −22,5°

Les angles positifs sont comptés dans le sens antihoraire.

6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: τmax = 73,45 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 = 32M/(πd³) = 32·1000000/(π·50³) = 81,49 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·1500000/(π·50³) = 61,12 MPa
στxyCτmax​

Cercle de Mohr

C = σ/2 = 40,74 MPa
R = √(40,74² + 61,12²) = 73,45 MPa

Réponse

τmax = 73,45 MPa
7.Contrainte et déformation axiales

Réponse: δ = 8,594 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·10²/4 = 78,54 mm²
σ = P/A = 90·1000/78,54 = 1146 MPa

Déformation (loi de Hooke)

E for acier = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 1146/200000 = 0,00573 = 5730 µε

Allongement

δ = ε·L = 0,00573·1500 mm = 8,594 mm

Réponse

δ = 8,594 mm
8.Contrainte et déformation axiales

Réponse: Pmax = 150,9 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

Ar = π·25²/4 = 490,9 mm²
At = π(80² − 60²)/4 = 2199 mm²

Rigidité axiale combinée

ΣEA = 200·10³·490,9 + 120·10³·2199 = 3,621 × 10⁸ N

Déformation déterminante

ε = min(0,001, 0,0004167) = 0,0004167 (cuivre)

Charge maximale

Pmax = 0,0004167·3,621 × 10⁸ = 150862 N = 150,9 kN

Réponse

Pmax = 150,9 kN
9.Flambement des poteaux

Réponse: Pcr = 222,3 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·80⁴/64 = 2,011 × 10⁶ mm⁴

Longueur de flambement

KL = 1·2500 = 2500 mm

Charge critique

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·2,011 × 10⁶/2500² = 222253 N = 222,3 kN

Réponse

Pcr = 222,3 kN
10.Flambement des poteaux

Réponse: σcr = 17,27 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·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Rayon de giration et élancement

A = 1963 mm²
r = √(I/A) = √(306796/1963) = 12,5 mm
KL = 0,5·5000 = 2500 mm
KL/r = 2500/12,5 = 200

Contrainte critique

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/200² = 17,27 MPa

Réponse

σcr = 17,27 MPa
11.Vibrations mécaniques

Réponse: ζ = 0,1196

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 = (1/2)·ln(20/4,4) = 0,7571

Taux d’amortissement

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,7571/√(39,48 + 0,5731) = 0,1196

Réponse

ζ = 0,1196
12.Vibrations mécaniques

Réponse: keq = 26,67 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 = 1/80 + 1/40 → keq = 80·40/(80 + 40) = 26,67 kN/m

Réponse

keq = 26,67 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/machine-design